Teoria Control Analogo Completo

T E O R ÍA D E CONTROL ANÁLOGO

Didier Giraldo Buitrago Eduardo Giraldo Suárez

Universidad Tecnológica de Pereira 2009

TEORÍA DE CONTROL ANÁLOGO Didier Giraldo Buitrago Docente Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica de Pereira

Eduardo Giraldo Suárez Docente Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica de Pereira

Texto Universitario Programa de Ingeniería Eléctrica Universidad Tecnológica de Pereira Primera Edición, 2010 ISBN: 978-958-722-050-6

Impreso en Colombia Esta obra se terminó de imprimir en el Taller de publicaciones de la Universidad Tecnológica de Pereira Se imprimieron 100 ejemplares

Índice general 1. Introducción a los sistemas de control 1.1. Problema básico de la ingeniería de control . . . . . . . . . . 1.2. Ejemplos de sistemas de control . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Efectos de la realimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1. Efecto de la realimentación en la ganancia total . . . 1.3.2. Efecto de la realimentación en la estabilidad . . . . . 1.3.3. Efecto de la realimentación en la sensibilidad . . . . . 1.3.4. Efecto de la realimentación en la perturbación externa o ruido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Tipos de sistemas de control con realimentación . . . . . . . 1.4.1. Sistemas de control lineal y nolineales . . . . . . . . . 1.4.2. Sistemas invariantes y variantes con el tiempo . . . . 1.4.3. Sistemas de control de datos continuos . . . . . . . . 1.4.4. Sistemas de control de datos discretos . . . . . . . . . 1.5. Ejemplo de introducción a sistemas de control . . . . . . . . 1.5.1. Construcción del modelo matemático . . . . . . . . . 1.5.2. Linealización del modelo matemático . . . . . . . . . 1.5.3. Selección de u (estrategia de control) . . . . . . . . .

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1 3 3 7 7 8 9

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11 13 13 14 14 14 15 16 18 20

2. Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado 2.1. Reducción de las ecuaciones diferenciales a su forma normal . 2.2. Concepto de estado y variables de estado . . . . . . . . . . . . 2.3. Ecuaciones de estado para circuitos eléctricos . . . . . . . . . 2.3.1. Método sistemático para obtener las ecuaciones de estado 2.4. Linealización de sistemas no lineales . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Efectos de las perturbaciones en las ecuaciones de estado . . . 2.6. Transformaciones similares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i

27 28 30 33 34 41 46 46

ii

ÍNDICE GENERAL 2.7. Análisis lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1. Solución en términos de la matriz exponencial . . . . 2.7.2. Solución por medio de la trasformada de Laplace . . 2.7.3. Valores propios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8. Realizaciones de las ecuaciones de estado . . . . . . . . . . . 2.8.1. Realización tipo “Controller” . . . . . . . . . . . . . 2.8.2. Realización tipo “Observer” . . . . . . . . . . . . . . 2.8.3. Realización tipo “Controlability” . . . . . . . . . . . 2.8.4. Realización tipo “Observability” . . . . . . . . . . . . 2.8.5. Realización tipo paralelo o diagonal . . . . . . . . . . 2.9. Función de transferencia nominal . . . . . . . . . . . . . . . 2.10. Análisis matricial de las realizaciones . . . . . . . . . . . . . 2.10.1. Observabilidad de estados . . . . . . . . . . . . . . . 2.10.2. Controlabilidad de estados . . . . . . . . . . . . . . . 2.11. Realización mínima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12. Vectores característicos generalizados . . . . . . . . . . . . . 2.13. Forma canónica de Jordan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.14. Cálculo de la matriz de Transformación para algunas formas canónicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.15. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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47 48 53 55 56 57 59 60 61 62 63 64 64 66 68 69 69

. 70 . 74

3. Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control 85 3.1. Señales de prueba para la respuesta temporal de sistemas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.2. Comportamiento en el dominio del tiempo de sistemas de control análogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.2.1. Error de estado estacionario . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.3. Tipos de sistemas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.4. Error de estado estacionario de sistemas con una entrada escalón 90 3.5. Error de estado estacionario de sistemas con una entrada rampa 91 3.6. Error de estado estacionario de sistemas con una entrada parabólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.7. Respuesta al escalón unitario y especi…caciones en el dominio del tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.8. Sistemas de primer orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.9. Sistemas de segundo orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.9.1. Caso subamortiguado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.9.2. Caso de amortiguamiento crítico . . . . . . . . . . . . . 100

ÍNDICE GENERAL

iii

3.9.3. Caso sobreamortiguado . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9.4. Caso oscilatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9.5. Especi…caciones de la respuesta transitoria para sistemas de segundo orden . . . . . . . . . . . . . . . 3.10. Sistemas de órdenes superiores . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.1. Sistemas de tercer orden . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.2. Respuesta transitoria de sistemas de mayor orden . . 3.11. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Criterios de Estabilidad 4.1. Estabilidad externa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Estabilidad interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. El criterio de Lyapunov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Criterios algebraicos de estabilidad . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Criterio de Routh-Hurwitz . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Casos especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Criterios frecuenciales de estabilidad . . . . . . . . . . . . . 4.5.1. Respuesta de un sistema a una entrada senoidal . . . 4.5.2. Principio del argumento o del ángulo . . . . . . . . . 4.5.3. Criterio de Mikhailov . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4. Criterio de Nyquist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.5. Regla de las transiciones . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.6. Estabilidad según el diagrama de Bode . . . . . . . . 4.5.7. Especi…caciones en el dominio frecuencial . . . . . . . 4.5.8. Correlación entre respuestas transitoria y frecuencial para un sistema de segundo orden . . . . . . . . . . . 4.5.9. Estabilidad Relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.10. Margen de amplitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.11. Margen de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.12. Margen de amplitud y margen de fase en el lugar de Bode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Acciones básicas de control 5.1. Clasi…cación de los controles automáticos 5.2. Controles de dos posiciones . . . . . . . . 5.3. Acción de control proporcional (P) . . . 5.4. Acción de control integral (I) . . . . . .

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. 101 . 103 . . . . .

103 109 109 110 113

. . . . . . . . . . . . . .

121 122 124 128 130 130 132 134 135 137 138 142 157 158 159

. . . .

160 163 164 166

. 167 . 168 175 . 175 . 176 . 179 . 183

iv

ÍNDICE GENERAL 5.5. 5.6. 5.7. 5.8.

Acción de control proporcional e integral (PI) . . . Acción de control proporcional y derivativo (PD) . Acción de control proporcional, integral y derivativo Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . (PID) . . . .

. . . .

6. Diseño de sistemas de control en el espacio de estados 6.1. Regulación por realimentación de estados . . . . . . . . . . . 6.1.1. Cálculo de la ganancia de realimentación . . . . . . . 6.1.2. Realimentación de estado y los ceros de la función de transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Perturbaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Observadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1. Observador en lazo abierto . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2. Observador completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3. Observador de orden reducido . . . . . . . . . . . . . 6.3.4. Regulación con un observador completo . . . . . . . . 6.3.5. Observador de perturbaciones . . . . . . . . . . . . . 6.4. Sistemas de seguimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1. Ganancia del sistema en lazo cerrado . . . . . . . . . 6.4.2. Realimentación integral de la salida . . . . . . . . . . 6.4.3. Controlador de dos grados de libertad . . . . . . . . . 6.5. Ejercicios propuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

186 188 190 201

207 . 208 . 209 . . . . . . . . . . . . .

A. Representación en grafos de circuitos eléctricos

211 212 215 215 216 219 221 222 228 228 233 235 244 251

B. Diagramas de Bloques 257 B.1. Reducción de diagramas de bloques . . . . . . . . . . . . . . . 258 C. Computación analógica C.1. Síntesis de funciones de transferencia . . . . C.2. Generación de algunas funciones del tiempo C.3. Escalamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . C.3.1. Escalamiento en amplitud . . . . . . C.3.2. Escalamiento en el tiempo . . . . . .

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263 264 266 269 269 272

D. Transformada de Laplace

273

E. Simulación de sistemas dinámicos en Matlab

275

Índice de …guras 1.1. Bloque que representa un sistema multivariable . . . . . . . . 1.2. Sistema de control escalar en lazo abierto . . . . . . . . . . . . 1.3. Sistema de control escalar con realimentación . . . . . . . . . 1.4. Estructura general de un sistema de control . . . . . . . . . . 1.5. Sistema de control en lazo abierto . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Sistema de control manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Sistema de control escalar en lazo cerrado . . . . . . . . . . . 1.8. Sistema de control bivariable den lazo cerrado . . . . . . . . . 1.9. Sistema de control en lazo cerrado de un sistema térmico . . . 1.10. Sistema de control en lazo cerrado de un sistema multivariable 1.11. Sistema con realimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.12. Sistemas con dos lazos de realimentación . . . . . . . . . . . . 1.13. Ruido actuando sobre un sistema con realimentación . . . . . 1.14. Diagrama esquemático de un sistema controlado por computador 1.15. Péndulo invertido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.16. Sistema no controlable de 2 barras . . . . . . . . . . . . . . . 1.17. Sistema controlable de 2 barras . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.18. Diagramas de cuerpo libre de la barra y el carro . . . . . . . . 1.19. Estructura de control del sistema de la …gura 1.15 . . . . . . . 1.20. Respuesta del control proporcional para diferentes ganancias . 1.21. (t) para valores reales del radical en (1.42) . . . . . . . . . . 1.22. Respuesta (t) sobre amortiguada . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 11 15 16 17 18 19 20 23 24 25

2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.

33 34 35 36 38

Representación de un sistema lineal invariante con Circuitos impropios . . . . . . . . . . . . . . . . . Circuito eléctrico ejemplo 2.1 . . . . . . . . . . . Grá…co del circuito de la …gura 2.3 . . . . . . . . Sistema mecánico traslacional 2.2 . . . . . . . . . v

el tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

vi

ÍNDICE DE FIGURAS 2.6. Circuito eléctrico análogo al sistema de la …gura 2.5 . . . . . . 2.7. Gra…co orientado del circuito de la …gura 2.6 . . . . . . . . . . 2.8. Sistema de nivel de líquido con interacción . . . . . . . . . . . 2.9. Circuito eléctrico análogo al sistema hidráulico de la …gura 2.8 2.10. Sistema de suspensión magnético de una bola . . . . . . . . . 2.11. Motor de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12. Realización canónica tipo Controlador . . . . . . . . . . . . . 2.13. Realización canónica tipo Observador . . . . . . . . . . . . . . 2.14. Realizacion tipo Controlable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.15. Realización tipo Observable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.16. Descomposición de un sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.17. Sistema mecánico traslacional ejercicio 2.1 . . . . . . . . . . . 2.18. Sistema mecánico de rotación ejercicio 2.2 . . . . . . . . . . . 2.19. Sistema mecánico traslacional ejercicio 2.3 . . . . . . . . . . . 2.20. Circuito eléctrico del ejercicio 2.4 . . . . . . . . . . . . . . . . 2.21. Circuito eléctrico ejercicio 2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.22. Sistema mecánico ejercicio 2.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.23. Sistema mecánico rotacional ejercicio 2.7 . . . . . . . . . . . . 2.24. Sistema del ejercicio 2.8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.25. Sistema mecánico del ejercicio 2.9 . . . . . . . . . . . . . . . . 2.26. Sistema del ejercicio 2.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.27. Sistema hidráulico del ejercicio 2.12 . . . . . . . . . . . . . . . 2.28. Sistema hidráulico ejercicio 2.13 . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.29. Tanque del ejercicio 2.14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.30. Péndulo ejercicio 2.15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.31. Sistema del ejercicio 2.16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.32. Sistema físico ejercicio 2.17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.33. Péndulo invertido doble ejercicio 2.22 . . . . . . . . . . . . . .

38 39 40 40 43 44 58 60 61 62 69 74 75 75 76 76 77 77 78 79 80 80 81 82 83 83 84 84

3.1. 3.2. 3.3. 3.4.

88 90 91

3.5. 3.6. 3.7. 3.8.

Sistema de control con realimentación no unitaria . . . . . . . Típico error de estado estacionario debido a una entrada escalón Típico error de estado estacionario debido a una entrada rampa Típico error de estado estacionario debido a una entrada parabólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Respuesta típica al escalón unitario de un sistema de control . Sistema prototipo de primer orden . . . . . . . . . . . . . . . Respuesta al escalón unitario de un sistema de primer orden . Sistema de control prototipo de segundo orden . . . . . . . . .

92 94 95 96 98

ÍNDICE DE FIGURAS

vii

3.9. Ubicación de los polos para el caso subamortiguado (0 < < 1) 99 3.10. Respuesta subamortiguada de un sistema de segundo orden . . 101 3.11. Repuesta de amortiguamiento crítico de un sistema de segundo orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.12. Respuesta sobreamortiguada de un sistema de segundo orden . 103 3.13. Respuesta oscilatoria de un sistema de segundo orden . . . . . 104 3.14. Diferentes respuestas para un sistema de segundo orden . . . . 105 3.15. Sobrepaso en función de la razón de amortiguación . . . . . . 106 3.16. Curvas envolventes de sobrepaso . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.17. Regiones de polos dominantes y no signi…cativos en el plano s 111 3.18. Algunas respuestas de sistemas de orden superior . . . . . . . 112 3.19. Regiones de polos dominantes y no signi…cativos en el plano s para diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 3.20. Sistema del problema 3.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 3.21. Modelo del ejercicio 3.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 3.22. Diagrama de bloques del piloto automático del ejercicio 3.11. . 119 4.1. Compensación serie o cascada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.2. Realización para la …gura 4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.3. Conexión en cascada de Hf (s) y Hc (s) . . . . . . . . . . . . . 126 4.4. Una realizacion del sistema de la …gura 4.3 . . . . . . . . . . . 127 4.5. Principio del argumento o del ángulo . . . . . . . . . . . . . . 138 4.6. Criterio de Mikhailov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 4.7. Grá…cos de a (j!) para el criterio de Mikhailov . . . . . . . . . 139 4.8. Sistema del ejemplo 4.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.9. Grá…co de a (j!) estable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 4.10. Sistema básico para el criterio de Nyquist . . . . . . . . . . . . 142 4.11. Criterio de Nyquist . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.12. Diagrama de Nyquist para Wl a (s) en el ejemplo 4.7 . . . . . 145 4.13. Diagrama de Nyquist estable para Wl a (s) inestable con m = 2148 4.14. Caso K > 1 y T1 < T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 4.15. Caso K < 1 y T1 > T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.16. Caso K > 1 y T1 > T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.17. Posibles casos de Nyquist del ejemplo 4.10 . . . . . . . . . . . 151 4.18. Caso de un solo integrador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.19. Wl a (s) con polos sobre el eje imaginario . . . . . . . . . . . . 154 4.20. Diagrama de Nyquist del ejemplo 4.11 . . . . . . . . . . . . . 155 4.21. Polos sobre el eje imaginario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

4.22. Regla de las transiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.23. Regla de transiciones para el diagrama de Bode . . . . . . . 4.24. Ancho de banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.25. Sistema de segundo orden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.26. Respuesta frecuencial de un sistema de segundo orden . . . . 4.27. Correlación entr Mv y Mp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.28. Grados de estabilidad de un sistema . . . . . . . . . . . . . . 4.29. Margen de amplitud y margen de fase . . . . . . . . . . . . . 4.30. Lugar de Nyquist para un sistema de segundo orden . . . . . 4.31. Lugares de Nyquist de dos sistemas con igual margen de amplitud pero con distinta estabilidad relativa . . . . . . . . 4.32. Lugares de Nyquist con el mismo margen de amplitud pero con diferente grado de estabilidad relativa . . . . . . . . . . 4.33. Margen de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.34. Margen de fase y de amplitud para el diagrama de Bode . . 4.35. Ubicación polos y ceros para el problema 4.12 . . . . . . . .

. . . . . . . . .

158 159 160 161 162 162 163 164 165

. 166 . . . .

167 168 169 171

Sistema de control en lazo cerrado . . . . . . . . . . . . . . . . Control de dos posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brecha diferencial o histéresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . Control de dos posiciones de un sistema de nivel de líquido . . Respuesta h (t) del sistema de la …gura 5.4 con control de dos posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6. Control de dos posiciones de un sistema de nivel de líquido . . 5.7. Acción de control proporcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8. Control proporcional de una planta con perturbación . . . . . 5.9. Sistema de nivel de líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.10. Diagrama de bloques de un sistema de control proporcional . . 5.11. Respuesta del sistema de la …gura 5.10 al escalón unitario . . . 5.12. Diagrama de bloques de sistemas de control integral . . . . . . 5.13. Señales de error y control integrativo . . . . . . . . . . . . . . 5.14. Señal de error y de control proporcional . . . . . . . . . . . . . 5.15. Algunas respuestas no aceptables . . . . . . . . . . . . . . . . 5.16. Control integral del sistema de nivel de líquido de la …gura 5.9 5.17. Control proporcional e integral (PI) . . . . . . . . . . . . . . . 5.18. Control PI de un sistema mecánico rotacional con inercia y amortiguador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.19. Diagrama de bloques para un controlador PD . . . . . . . . .

175 176 177 177

5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5.

178 178 179 179 181 181 182 183 184 184 185 185 186 187 189

ÍNDICE DE FIGURAS 5.20. Diagrama de bloques de una carga inercial con controlador PD 5.21. Una posible respuesta para el sistema de la …gura 5.20 . . . . 5.22. Diagrama de bloques para un sistema de control PID . . . . . 5.23. PID con derivada de la salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.24. Telescopio del transbordador espacial . . . . . . . . . . . . . . 5.25. Diagramade cuerpo libre y diagrama de bloques para el sistema físico de la …gura 5.24a. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.26. Sistema PID hidromecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.27. PID Neumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.28. Diagrama de cuerpo libre para puntos de masa cero . . . . . . 5.29. Diagrama de bloques de un PID neumático . . . . . . . . . . . 5.30. Diagrama de bloques simpli…cado . . . . . . . . . . . . . . . . 5.31. Sistema de nivel de líquido del problema 5.3 . . . . . . . . . . 5.32. Sistema de control para el sistema del ejercicio 5.7 . . . . . . . 5.33. Diagrama de bloques del ejercicio 5.8. . . . . . . . . . . . . . . 5.34. Diagrama de bloques del ejemplo 5.9. . . . . . . . . . . . . . . 5.35. Diagrama de bloques del ejemplo 5.10. . . . . . . . . . . . . . 5.36. Diagrama de bloques del ejercicio 5.11. . . . . . . . . . . . . . 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5.

ix 189 190 190 191 192 192 194 196 196 200 200 202 204 205 205 206 206

Reubicación de polos por realimentación de variables de estado 209 Sistema con perturbación generalizada . . . . . . . . . . . . . 213 Observador en lazo abierto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Observador completo para el sistema (6.7) . . . . . . . . . . . 218 Diagrama de bloques del sistema con observador de orden reducido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 6.6. Realimentación de variables de estado con observador completo 223 6.7. Diagrama de bloques de un sistema con regulación, observador completo y observador de perturbaciones . . . . . . . . . . . . 225 6.8. Diagrama de bloques en Simulink para el ejemplo 6.1 . . . . . 227 6.9. (a) Salida del sistema y, (b) estados estimados x ~, (c) perturbación estimada v~ (t). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 6.10. Diagrama de bloques simpli…cado para un modelo simple de seguimiento con regulación y observador completo . . . . . . . 229 6.11. Esquema de control con observador completo y observador de perturbaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 6.12. Diagrama del ejemplo 6.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 6.13. Servo con acción integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 6.14. Servo con acción integral usando un observador de estados . . 236

x

ÍNDICE DE FIGURAS 6.15. Diagrama de bloques de un sistema de realimentación con una estructura de dos grados de libertad . . . . . . . . . . . . . . 6.16. Un controlador con dos grados de libertad basado en realimentación del estado y un observador . . . . . . . . . . 6.17. Diagrama de bloques de un controlador general que combina seguimiento por modelo con realimentación de los estados y de la perturbación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.18. Respuesta del sistema de control de dos grados libertad para una entrada de referencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.19. Diagrama de bloques en Simulink para el ejemplo 6.3 . . . . 6.20. Sistema físico del ejercicio 6.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . A.1. A.2. A.3. A.4.

Ramas . . . . . . Árboles diferentes Gra…co orientado Grá…co conectado

. . . . . . . . . . . . de un mismo grá…co . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

B.1. B.2. B.3. B.4. B.5. B.6.

Sistema en lazo cerrado . . . . . . . . . . . . . . . Diagramas equivalentes . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques del ejemplo B.1 . . . . . . . Reducción parcial del diagrama de la …gura B.4 . Reducción parcial del diagrama del ejemplo B.1 . Otra manera de reducir el diagrama de bloques de

C.1. C.2. C.3. C.4. C.5. C.6.

2 Diagrama de bloques función de transferencia s+1 . . . . 2s+1 Diagrama de bloques función de transferencia s2 +3s+4 . . Diagrama de cálculo analógico de la realización observer Diagrama circuital de INT1 . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama circuital para obtener el inversor INV1 . . . . Generación de y_ (t) = aAe at . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . la …gura

. . . .

. 237 . 237

. 240 . 243 . 244 . 246 . . . .

252 252 253 254

. . 257 . . 258 . . 259 . . 260 . . 260 B.3261 . . . . . .

. . . . . .

265 266 267 267 268 268

E.1. Grá…ca de los polos y los ceros de un sistema dinámico con Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E.2. Respuesta al escalón unitario . . . . . . . . . . . . . . . . . . E.3. Respuesta al impulso unitario . . . . . . . . . . . . . . . . . E.4. Respuestas del sistema dinámico para diferentes valores de E.5. Diagrama de bode para el sistema dinámico del ejemplo E.6

. . . . .

278 279 280 281 282

. . . . . .

Prefacio Este libro presenta el análisis y diseño de sistemas de control en tiempo continuo. Su objetivo es servir como texto guía para un primer curso en sistemas de control. Se espera que el estudiante tenga conocimientos previos sobre ecuaciones diferenciales, análisis vectorial matricial, circuitos eléctricos, mecánica, variable compleja y la transformada de Laplace. Al …nal del curso el estudiante debe estar en capacidad de analizar y diseñar sistemas de control en tiempo continuo. El libro está organizado como sigue: en el capítulo 1 se presenta una introducción a los sistemas de control y su diseño a partir de representación en ecuaciones de estado y función de transferencia. Así mismo se desarrollan ejemplos de sistemas de control típicos y un ejemplo introductorio para el diseño de un sistema de control. En el capítulo 2 se hace el modelado y análisis de sistemas físicos lineales y no lineales en espacio de estados, así como diferentes métodos de representación y análisis para las ecuaciones de estado. En los capítulos 3 y 4 se realiza el análisis de respuesta en el dominio del tiempo y de estabilidad en el dominio de la frecuencia para los sistemas de control. Y …nalmente en los capítulos 5 y 6 se realiza el diseño de los sistemas de control a partir del error y usando la realimentación de variables de estado. Se incluyen 4 anexos donde se complementa la representación en grafos de circuitos eléctricos, la simulación con computación analógica de los modelos de espacio de estado para sistemas dinámicos lineales, las transformadas de Laplace para algunas funciones útiles en el análisis de sistemas dinámicos y la simulación de los sistemas dinámicos usando Matlab R .

xi

xii

Prefacio

Capítulo 1 Introducción a los sistemas de control Un sistema es un modelo de un dispositivo o de un conjunto de ellos existentes en el mundo real (sistema físico). En general, el estudio de sistemas físicos consta de cuatro partes: modelaje, descripción matemática, análisis y diseño. Para desarrollar el modelo de un sistema físico es necesario un profundo conocimiento del mismo y de los rangos de operación. Una vez obtenido el modelo, el paso siguiente es la descripción matemática la cual se obtiene utilizando leyes físicas. A partir de la anterior descripción se puede hacer el análisis cuantitativo que consiste en hallar las respuestas (salidas) debidas a la aplicación de ciertas señales de entrada; y el análisis cualitativo que consiste en analizar ciertas propiedades tales como estabilidad, controlabilidad y observabilidad. Si la respuesta del sistema no es satisfactoria, el sistema debe ser mejorado u optimizado ya sea ajustando ciertos parámetros o en otros casos introduciendo compensadores. Un sistema de control es aquel cuyo …n es obtener varias respuestas deseadas a partir de ciertas entradas. La …gura 1.1 muestra un bloque que representa un sistema multivariable en el que se supone hay una descripción matemática entre las salidas (y = T T y1 y2 yn ) y las entradas (u = u1 u2 um ). Cuando m = n = 1 se dice que el sistema es escalar. Sistema de control escalar en lazo abierto: aquel que utiliza un controlador (un sistema) en cascada con el sistema a ser controlado (planta o proceso)

1

2

Introducción a los sistemas de control

Figura 1.1: Bloque que representa un sistema multivariable

para obtener la respuesta deseada como se muestra en la …gura 1.2.

Figura 1.2: Sistema de control escalar en lazo abierto

Sistema de control escalar en lazo cerrado (con realimentación): aquel que utiliza una medida de la salida actual para compararla con la respuesta deseada como se muestra en la …gura 1.3. El transductor es un dispositivo que convierte una señal a otra, generalmente eléctrica. Ejemplos: potenciómetros, tacómetros (tacogeneradores), termocuplas, termistores, presóstatos, etc.

Figura 1.3: Sistema de control escalar con realimentación

1.1 Problema básico de la ingeniería de control

1.1.

3

Problema básico de la ingeniería de control

Figura 1.4: Estructura general de un sistema de control

El problema básico de la Ingeniería de Control es determinar una entrada T um (véase …gura 1.4) de modo que imparta sobre la u = u 1 u2 T cp cierto comportamiento deseado. salida c = c1 c2 Cuando la señal de referencia r (t) es constante se de…ne al sistema de control como un regulador.

1.2.

Ejemplos de sistemas de control

Ejemplo 1.1 Una lavadora puede ser el ejemplo de un sistema de control en lazo abierto (ver …gura 1.5) en donde la salida es el grado de limpieza actual y la entrada es el grado de limpieza deseado. Ejemplo 1.2 La …gura 1.6 muestra un sistema de control manual de nivel líquido en un tanque (el controlador es un ser humano) ya que una persona

4

Introducción a los sistemas de control

Figura 1.5: Sistema de control en lazo abierto

sensa la salida (nivel actual), la compara con el nivel deseado (señal de referencia) y abre o cierra la válvula de entrada de liquido dependiendo del resultado anterior.

Figura 1.6: Sistema de control manual

Ejemplo 1.3 En el sistema de control de nivel en lazo cerrado de la …gura 1.7 la señal resultante (error) de la comparación entre la de referencia y otra que es proporcional al nivel actual del líquido (salida) en el tanque es la entrada al controlador o cerebro del sistema el cual genera una señal (variable de control) que después de ser ampli…cada (y posiblemente transformada) en potencia actúa sobre la válvula que permite variar el caudal de entrada (variable de control) del líquido. Nótese que se pretende que la salida, despues de cierto tiempo, sea igual al nivel deseado.

1.2 Ejemplos de sistemas de control

5

Figura 1.7: Sistema de control escalar en lazo cerrado

Ejemplo 1.4 En la …gura 1.8 las señales de salida de la planta (el generador síncrono más el motor DC y la carga) son la magnitud del voltaje generado y la frecuencia (que es proporcional a la velocidad del motor DC). Éstas, después son comparadas con señales de referencia, las resultantes son ampli…cadas (actuadores) para que actúen sobre el campo del generador síncrono y la armadura del motor DC, respectivamente. Obsérvese que se pretende que las salidas, después de cierto tiempo, sean iguales a la magnitud del voltaje generado y la frecuencia deseadas. Ejemplo 1.5 En la …gura 1.9 se muestra el esquema de control en lazo cerrado de un sistema térmico. La variable que se desea controlar es la temperatura actual del agua a la salida del tanque y la señal de referencia es la salida deseada del tanque. La variable de control (salida del controlador) es la entrada al actuador, cuya salida manipula el ‡ujo de vapor hacia el intercambiador de calor. Ejemplo 1.6 La …gura 1.10 muestra un sistema de control multivariable de una planta de generación térmica en el que las salidas del sistema son: oxígeno (o) en la caldera, temperatura (t) y presión (p) del vapor, y la magnitud (v) y frecuencia (f) del voltaje generado. En este caso el controlador es un computador digital (el control es efectuado mediante un algoritmo). SO,

6

Introducción a los sistemas de control

Figura 1.8: Sistema de control bivariable den lazo cerrado

ST, SP, SV y SF representan los sensores de oxígeno, temperatura, presión, voltaje y frecuencia respectivamente. GV es el gobernador de velocidad de la turbina, A/D es el conversor análogo digital, D/A es el conversor digital análogo y a, c y ai simbolizan el agua el combustible y el aire que le entran a la caldera respectivemnte. Aunque los requerimientos de un sistema de control dependen lógicamente de los objetivos de diseño, se pueden enunciar en general los siguientes: 1. Debe ser estable. 2. Las respuestas (salidas) deben ser razonablemente rápidas y razonablemente amortiguadas. 3. Los errores (si los hay) se deben reducir a un mínimo tolerable.

1.3 Efectos de la realimentación

7

Figura 1.9: Sistema de control en lazo cerrado de un sistema térmico

1.3.

Efectos de la realimentación

De los ejemplos anteriores se puede notar que uno de los propósitos de la realimentación es reducir el error entre la entrada de referencia y la salida del sistema. Se verá que la realimentación también tiene efectos en las características del sistema tales como estabilidad, ancho de banda, ganancia total y sensitividad. Por simplicidad, por ahora se considerará el sistema en condiciones estáticas.En la …gura 1.11 considérese que G y H son ganancias constantes. Por lo tanto,

c = Ge = G (r b) = Gr = Gr G c=r = M = 1 + GH

1.3.1.

GHe

(1.1) (1.2)

Efecto de la realimentación en la ganancia total

De (1.2) se nota que la realimentación afecta la ganancia G del sistema sin realimentación por un factor de (1 + GH). La cantidad GH podría incluir un signo menos. Así, el efecto general de la realimentación es que se podría

8

Introducción a los sistemas de control

Figura 1.10: Sistema de control en lazo cerrado de un sistema multivariable

incrementar o decrementar la ganancia G. En un sistema de control práctico G y H son funciones de la frecuencia y por lo tanto la magnitud de (1 + GH) podría ser mayor que 1 en un rango de frecuencia y menor que 1 en otro. Por eso, la realimentación podría incrementar la ganancia del sistema en un rango de frecuencia, pero decrementarla en otro.

1.3.2.

Efecto de la realimentación en la estabilidad

Se puede decir que un sistema es inestable si la amplitud de su salida se incrementa sin acotamiento cuando la amplitud de la entrada es acotada. Nótese de (1.2) que si GH = 1, la salida del sistema es in…nita para cualquier entrada …nita y se dice que el sistema es inestable. Es decir, la realimentación podría hacer que un sistema, que era originalmente estable, se vuelva inestable. Recuérdese que solo se está tratando el caso estático y, en general, GH = 1 no es la única condición para inestabilidad.Una de las ventajas de incorporar realimentación es que puede estabilizar un

1.3 Efectos de la realimentación

9

Figura 1.11: Sistema con realimentación

sistema inestable. Por ejemplo, supóngase que el sistema realimentado de la …gura 1.11 es inestable debido a que GH = 1. Si se introduce otro lazo de realimentación con ganancia F , como se muestra en la …gura 1.12, la relación entrada - salida del sistema total es: c G = r 1 + GH + GF

(1.3)

Nótese que aunque las propiedades de G y H son tales que el sistema con el lazo de realimentación interior es inestable debido a que GH = 1, el sistema total puede ser estable si se selecciona adecuadamente la ganancia F del lazo de realimentación exterior. En la práctica GH es función de la frecuencia y la condición de estabilidad del sistema en lazo cerrado depende de la magnitud y fase de GH. Así, la realimentación podría mejorar la estabilidad o empeorarla si no es adecuadamente aplicada.

1.3.3.

Efecto de la realimentación en la sensibilidad

Consideraciones de sensibilidad a menudo son importantes en el diseño de sistemas de control. Ya que todos los elementos físicos tienen propiedades que cambian con el ambiente y la edad, no siempre se puede considerar que los parámetros de un sistema de control son completamente estacionarios en toda su vida de operación. Por ejemplo, la resistencia de los devanados de un motor eléctrico cambia con el aumento de la temperatura del motor durante su operación. En general, un buen sistema de control debe ser muy insensitivo a variaciones en los parámetros, pero sensitivo a los comandos de

10

Introducción a los sistemas de control

Figura 1.12: Sistemas con dos lazos de realimentación

entrada. Se investigará el efecto que tiene la realimentación en la sensitividad a variaciones de parámetros. Considérese en la …gura 1.11 a la ganancia G como un parámetro que podría variar. La sensitividad de la ganancia total del sistema M debido a la variación en G se de…ne como:

SGM =

@M G 1 (1 + GH) GH (1 + GH) = = 2 @G M 1 + GH (1 + GH)

(1.4)

De (1.4) se ve que si GH es una constante positiva, la magnitud de la función sensitividad se puede hacer arbitrariamente pequeña incrementando GH, con la condición de que el sistema permanezca estable. Lógicamente para el sistema en lazo abierto, SGM = 1. Recuérdese que en la práctica GH es función de la frecuencia y la magnitud de 1 + GH podría ser menor que 1 sobre algunos rangos de frecuencia de modo que la realimentación podría ser peligrosa para la sensitividad a variación de parámentros en ciertos casos. Se deja como ejercicio derivar la sensitividad del sistema (ganancia total) de la …gura 1.11 debido a la variación H.

1.3 Efectos de la realimentación

1.3.4.

11

Efecto de la realimentación en la perturbación externa o ruido

Todos los sistemas físicos están sujetos a algunos tipos de señales extrañas o ruido durante su operación. Por ejemplo, voltajes en circuitos electrónicos debido al ruido térmico, perturbación externa, tal como el viento actuando sobre una antena, entre otras. Por esto, en el diseño de un sistema de control se deben hacer consideraciones que permitan que el sistema sea insensitivo a las perturbaciones y ruidos, y sensitivo a los comandos de entrada. No se puenden sacar conclusiones generales, pero en muchas situaciones la realimentación puede reducir el efecto del ruido y perturbación en el desarrollo del sistema.

Figura 1.13: Ruido actuando sobre un sistema con realimentación

En la …gura 1.13, n es la señal de ruido. Si no hay realimentación, H = 0 y la salida es c = G1 G2 e + G2 n (1.5) en donde e = r. La relación señal a ruido de la salida se de…ne como: salida debido a la señal G1 G2 e e , = G1 salida debido al ruido G2 n n

(1.6)

Para incrementar esta relación se debe incrementar la magnitud de G1 o e relativo a n. Nótese que G2 no tendría efecto en esta relación. Con realimentación, la salida del sistema debido a r y n actuando simultáneamente es: G1 G2 G2 c= r+ n (1.7) 1 + G1 G2 H 1 + G1 G2 H

12

Introducción a los sistemas de control

Comparando (1.7) con (1.5) se ve que la componente de la salida debido al ruido se reduce por el factor 1 + G1 G2 H si éste es mayor que 1, pero la componente debida a la señal también es cambiada por la misma cantidad. La relación señal a rudio es: salida debido a la señal = salida debido al ruido

G1 G2 r 1+G1 G2 H G2 n 1+G1 G2 H

= G1

r n

(1.8)

que es la misma que sin realimentación. En este caso, la realimentación no tiene efecto directo en la relación señal a rudio del sistema de la …gura 1.13. Sin embargo, con realimentación y bajo ciertas condiciones se puede mejorar la relación señal a ruido de la siguiente manera: supóngase que en el sistema de la …gura 1.13 la magnitud de G1 se incrementa a G01 y r a r0 sin cambiar los otros parámentros, de modo que la salida debido a la señal de entrada actuando sola tiene el mismo nivel que cuando no hay realimentación. Es decir, G01 G2 r0 = G1 G2 r (1.9) ejn=0 = 1 + G01 G2 H Con G1 incrementada a G01 , la salida debido al ruido actuando sola es: ejr=0 =

G2 n 1 + G01 G2 H

(1.10)

la cual es menor que la salida debida a n cuando G1 no es incrementada. La relación señal a ruido es ahora: G1 G2 r G2 n 1+G01 G2 H

=

G1 r (1 + G01 G2 H) n

(1.11)

la cual es mayor que la del sistema sin realimentación por un factor de (1 + G01 G2 H). Existen otras estrucutras cuando se usa realimenación que permiten reducir los efectos de las perturbaciones y el ruido. La realimentación en general también tiene efectos en características del sistema tales como el ancho de banda, respuesta transitoria y respuesta frecuencial.

1.4 Tipos de sistemas de control con realimentación

1.4.

Tipos de sistemas realimentación

de

13

control

con

Los sistemas de control con realimentación se pueden clasi…car de varias maneras según el propósito de la clasi…cación. Por ejemplo, según el método de análisis y diseño se clasi…can como lineales o no lineales, variantes o invariantes con el tiempo. De acuerdo a los tipos de señal encontradas en el sistema, se hace referencia a sistemas continuos y discretos, o sistemas modulados y no modulados. Hay muchas maneras de identi…car sistemas de control según características especiales del sistema. Es importante conocer algunas de estas maneras más comunes de clasi…cación para adquirir una adecuada perspectiva antes de iniciar el análisis y diseño de estos sistemas.

1.4.1.

Sistemas de control lineal y nolineales

Esta clasi…cación se hace de acuerdo a los métodos de análisis y diseño. Estrictamente hablando, los sistemas lineales no existen en la práctica. Los sistemas de control lineales son modelos idealizados fabricados por la simplicidad de su análisis y diseño. Si las magnitudes de las señales en un sistema presentan características lineales (es decir, se aplica el principio de superposición), el sistema es esencialmente lineal. Si aquellos superan el rango de la operación lineal, dependiendo de la severidad de la no linealidad, el sistema no debe ser considerado lineal. Por ejemplo, los ampli…cadores usados en sistemas de control a menudo exhiben un efecto de saturación cuando sus señales de entrada son muy grandes; el campo magnético de un motor generalmente tiene propiedades de saturación. Otros efectos no lineales son: el juego muerto entre engranajes acoplados, resortes no lineales, torques o fuerzas de fricción no lineales, etc. A menudo se introducen intencionalmente características no lineales en un sistema de control para mejorar su desarrollo. Por ejemplo, para lograr un control de tiempo mínimo, a veces se usa un controlador tipo “on-o¤”. Para sistemas lineales hay varias técnicas para el análisis y el diseño. Los sistemas no lineales son generalmente difíciles de tratar matemáticamente, y no hay métodos generales disponibles para resolver una amplia clase de ellos. En el diseño de sistemas de control, es práctico primero diseñar el controlador basado en un modelo lineal del sistema despreciando las no linealidades. El controlador diseñado es luego aplicado al modelo del sistema no lineal para

14

Introducción a los sistemas de control

su evaluación o rediseño por simulación mediante computador.

1.4.2.

Sistemas invariantes y variantes con el tiempo

Cuando los parámetros de un sistema de control son estacionarios con respecto al tiempo durante su operación, se dice que el sistema es invariante con el tiempo. En la práctica muchos sistemas físicos contienen elementos que varían con el tiempo. Por ejemplo, la resistencia de los devanados de un motor eléctrico variará cuando el motor es excitado y su temperatura está en aumento. Otro ejemplo de un sistema variante es el sistema de control de guía de un cohete en el cual la masa de este disminuye en la medida en que el combustible está siendo consumido durante el vuelo. Aunque un sistema variante con el tiempo y sin no linealidades es todavía un sistema lineal, el análisis y diseño de esta clase de sistemas es generalmente más complejo que el de los sistemas lineales e invariantes con el tiempo.

1.4.3.

Sistemas de control de datos continuos

Un sistema de datos continuos es aquel en el que las señales del sistema son funciones de la variable continua tiempo t. Las señales podrían además ser clasi…cadas como AC o DC. Cuando se hace referencia a un sistema de control AC, generalmente signi…ca que las señales en el sistema son moduladas por alguna clase de esquema de modulación. Un sistema de control DC implica que las señales no son moduladas. Componentes típicos son: potenciómetros, ampli…cadores DC, motores DC, tacómetros DC, etc. Los sistemas de control AC se usan en aquellos sistemas en los que el ruido y perturbaciones crean problemas. Usando sistemas de control modulados con frecuencias portadoras de 400 Hz o superiores, el sistema será menos susceptible a ruidos de baja frecuencia. Componentes típicos de un sistema de control AC son: “synchros”, ampli…cadores AC, motores AC, etc. En la práctica no todos los sistemas de control son estrictamente del tipo AC o DC. Un sistema podría incorporar una mezcla de componentes AC y DC usando moduladores y demoduladores en varios puntos en el sistema.

1.4.4.

Sistemas de control de datos discretos

Un sistema controlado por computador se puede esquematizar como se muestra en la …gura 1.14. La salida del proceso y (t) es una señal continua

1.5 Ejemplo de introducción a sistemas de control

15

Figura 1.14: Diagrama esquemático de un sistema controlado por computador

la cual es convertida en forma digital por el convertidor análogo / digital (A/D). La conversión se hace en los instantes de muestreo tk : El computador interpreta la señal convertida como una sucesión de números, fy (tk )g, procesa las medidas usando un algoritmo de control y entrega una nueva sucesión de números, fu (tk )g. Esta es convertida a una señal análoga por un convertidor digital - análogo (D/A). Los eventos son sincronizados por un reloj en tiempo real en el computador. El computador digital opera secuencialmente y cada operación toma algún tiempo. El convertdor D/A debe producir una señal continua lo cual se hace normalmente manteniendo la señal de control constante entre conversiones. Este sistema contiene señales continuas y muestreadas por lo que han sido denominados sistemas de datos muestreados. La mezcla de diferentes tipos de señales algunas veces causa di…cultades. En la mayoría de los casos, sin embargo, basta describir el comportamiento del sistema en los instantes de muestreo. Así las señales son de interés únicamente en tiempos discretos y tales sistemas son llamados sistemas discretos. Como éstos tratan con sucesiones de números, una manera natural de representarlos es usar ecuaciones en diferencia.

1.5.

Ejemplo de introducción a sistemas de control

En la …gura 1.15 la barra B es restringida a movimientos en el plano del papel y es balanceada sobre la parte superior del carro C. El objetivo de control consiste en mantener la barra verticalmente tanto

16

Introducción a los sistemas de control

Figura 1.15: Péndulo invertido

como sea posible. La barra y el carro constituyen la planta o el sistema a ser controlado, el cual sería inestable sin la asistencia de la señal de control (fuerza de control) u. La inestabilidad no es una característica general de los sistemas controlados; la razón de este ejemplo es enfatizar que aún sistemas inestables pueden ser adecuadamente controlados. Para simpli…car el análisis, se supondrá ausencia total de fuerzas perturbadoras predecibles. Para lograr el objetivo de control se instala un motor en el carro y a través de engranajes se genera una fuerza u sobre las ruedas del carro. Nótese que la solución planteada se basa en la intuición y esta podría fallar para sistemas más complejos. Considérese por ejemplo los sistemas de las …guras 1.16 y 1.17 El sistema de la …gura 1.17 puede ser balanceado mientras que el sistema de la …gura 1.16 no. Esto se debe a que el sistema de la …gura 1.17 es controlable mientras que el de la …gura 1.16 no. Los conceptos de controlabilidad y observabilidad, serán vistos posteriormente.

1.5.1.

Construcción del modelo matemático

El modelo debe revelar cómo la salida del sistema, representada en este caso por la desviación angular , es afectada por la señal de control u. Para obtener el modelo matemático, representado por un sistema de ecuaciones

1.5 Ejemplo de introducción a sistemas de control

17

Figura 1.16: Sistema no controlable de 2 barras

diferenciales, se necesita usar relaciones básicas de la mecánica clásica aplicables a este sistema físico. En la …gura 1.18 las coordenadas de los centros de gravedad con respecto a un origen arbitrariamente escogido son: 1. Para el carro: posición horizontal : y 2. Para la barra: posición horizontal posición vertical

: :

y + L sin L cos

Si se toman momentos alrededor del centro de gravedad de la barra y sumando las fuerzas que actuan sobre el carro y la barra en direcciones verticales y horizontal, se obtiene el siguiente sistema de ecuaciones: I

d2 dt2

= V L sin

HL cos

d2 V mg = m 2 (L cos ) dt d2 H = m 2 (y + L sin ) dt d2 y u H = M 2 dt

(1.12) (1.13) (1.14) (1.15)

18

Introducción a los sistemas de control

Figura 1.17: Sistema controlable de 2 barras

El momento de inercia de la barra I se calcula con respecto a su centro de gravedad y es I = 13 mL2 . El sistema de ecuaciones (1.12) a (1.15) se puede reescribir de la siguiente manera: I • = V L sin V

mg =

mL • sin + _

H = m• y + mL • cos u

(1.16)

HL cos 2

(1.17)

cos _

2

sin

H = M y•

(1.18) (1.19)

Nótese que las últimas son ecuaciones diferenciales no lineales. Las 4 variables desconocidas son , y, V , H, suponiedo que u podría ser especi…cada. Nótese que este es un problema más de síntesis que de análisis puesto que se debe especi…car una función adecuada para la señal de control u. Este problema no es simple y no tiene solución única.

1.5.2.

Linealización del modelo matemático

Aunque las ecuaciones (1.16) a (1.19) podrían ser resueltas por simulación en un computador analógico por ejemplo, se hará por linealización. Cualquier

1.5 Ejemplo de introducción a sistemas de control

19

Figura 1.18: Diagramas de cuerpo libre de la barra y el carro

sistema de ecuaciones diferenciales no lineales puede ser linealizado si las variables dependientes son limitadas a pequeñas variaciones alrededor de un punto, llamado punto de operación. Nótese de las ecuaciones, que la no linealidad aparece fundamentalmente en la variable . Considérese entonces solamente pequeñas desviaciones del ángulo : 1 rad. Utilizando la expansión en series de Taylor: 1 X f (n) (x0 ) (x x0 )n f (x) = n! n=0 las funciones sin y cos se pueden expandir alrededor del punto considerar las derivadas de orden superior a 1 como:

= 0 sin

3

sin

=

3!

+

(1.20)

2

+ 1 (1.21) 2! Reemplazando (1.20) y (1.21) en las ecuaciones (1.16) a 1.19, y considerando que las potencias de y sus derivadas, y multiplicaciones de son cos

= 1

20

Introducción a los sistemas de control

aproximadamente cero, se obtiene I• V mg H u H

= = = =

VL HL 0 m• y + mL • M y•

(1.22) (1.23) (1.24) (1.25)

Eliminando V y H del anterior sistema de ecuaciones se obtiene I + mL2 • + mL• y mgL = 0 mL • + (m + M ) y• = u

1.5.3.

(1.26) (1.27)

Selección de u (estrategia de control)

Figura 1.19: Estructura de control del sistema de la …gura 1.15 Para supervisar y controlar el ángulo se escoge la estructura del sistema como se muestra en la …gura 1.19. El sensor da información sobre la cual es realimentada al controlador y el cual genera la señal u para corregir la posición del carro. Nótese que esta estructura es del tipo lazo cerrado. Se deben considerar las limitaciones físicas del sensor y el controlador, sin embargo, se harán simples suposiciones acerca de sus reacciones. Por lo tanto se tiene libertad en escoger la señal u ( ), es decir como reaccionan el sensor y el controlador en respuesta a la señal . Acciones básicas de control Control proporcional: La estrategia más simple de control se obtiene cuando el controlador produce una fuerza proporcional a la desviación

1.5 Ejemplo de introducción a sistemas de control

21

angular, es decir: (1.28)

u = K1

(K1 en el sistema MKS tiene dimensiones de Newton/radián). Nótese que se han despreciado los retardos en tiempo debidos al sensor y al controlador, es decir, se ha supuesto que responden instantáneamente, lo cual físicamente no es posible. Sin embargo, la aproximación es de naturaleza realística. Reemplazando (1.28) en 1.26 y 1.27 se obtiene: y mgL I + mL2 • + mL• mL • + (m + M ) y• K1

= 0

(1.29)

= 0

(1.30)

Eliminando y• en (1.29) y (1.30) se obtiene: •+

K1 g (m + M ) mL = 0 I (m + M ) + mM L2

(1.31)

Para abreviar, defínase: K1 g (m + M ) mL I (m + M ) + mM L2 K1 a , m+M mL b , m+M

w2 ,

(1.32) (1.33) (1.34)

Utilizando (1.32), (1.33) y (1.34) y reemplazando en (1.31), (1.29) y (1.30) se obtiene: • + w2 = 0 y• = a

(1.35) b•

(1.36)

Nótese que es independiente de y, pero lo opuesto no es cierto. Supóngase las siguientes condiciones iniciales: y (0) = y_ (0) = _ (0) = 0 (0) = 0 y defínase el siguiente parámetro que se llamará “ganancia crítica”, Kcr : Kcr , g (m + M )

(1.37)

Se pueden considerar los 3 siguientes casos, cuyas respuestas se pueden obtener fácilmente utilizando la transformada de Laplace:

22

Introducción a los sistemas de control 1. K1 > Kcr (Ganancia supercrítica). La solución de las ecuaciones (1.35) y (1.36) es: (t) =

cos (wt) a + bw2 (1 0 w2 0

y (t) =

cos (wt))

2. K1 = Kcr (Ganancia crítica). En este caso las ecuaciones (1.35) y (1.36) se convierten en: • = 0 y• = a cuya solución es: (t) =

0

y (t) =

0

a 2 t 2

3. K1 < Kcr (Ganancia subcrítica). Reescribiendo las ecuaciones (1.35) y (1.36): •

jwj2

=0 y• = a

b•

y resolviendo se obtiene: (t) = y (t) =

cosh (jwj t) a b jwj2 (cosh (jwj t) 0 jwj2 0

1)

Las respuestas de (t) para cada uno de los casos se muestran en la …gura 1.20. Nótese que este sistema de control proporcional tiene una respuesta inaceptable para valores muy bajos de K1 . El motor es demasiado débil para corregir las desviaciones angulares, asi que el ángulo crecerá inde…nidamente hasta que la barra cae. Se dice entonces que el sistema es inestable. Para K1 > Kcr la barra y el carro desarrollan oscilaciones armónicas (como las de un péndulo sin amortiguamiento). Nótese que la barra no cae y se puede decir que el objetivo de control ha sido pobremente satisfecho.

1.5 Ejemplo de introducción a sistemas de control

23

Figura 1.20: Respuesta del control proporcional para diferentes ganancias

Control proporcional más derivativo: Las oscilaciones debidas al control proporcional se pueden amortiguar por medio del control derivativo. La presencia de oscilaciones no amortiguadas se debe al hecho de que el motor actúa solo después de que la desviación angular ya ha ocurrido. Tiene sentido entonces hacer que el motor actúe con su fuerza correctiva cuando las desviaciones estén a punto de ocurrir. Una posible solución es hacer la fuerza de control u igual a una combinación lineal de e y e: _ (1.38)

u = K1 e + K2 e_

Obviamente se requiere un sensor más so…sticado que mida e y e_ o un medio de diferenciar la señal e. La inclusión de la derivada de una señal signi…ca físicamente que se está hábil para desarrollar un cierto grado de predicción de los valores futuros de e, ya que e_ es una medida de la tasa de cambio de e dando una indicación de hacia donde va e. Reemplazando (1.38) en 1.26 y 1.27 se obtiene: I + mL2 • + mL• y mL • + (m + M ) y• K1

= 0

(1.39)

K2 _ = 0

(1.40)

mgL

24

Introducción a los sistemas de control

Eliminando y• en las ecuaciones (1.39) y (1.40) se obtiene: • + 2 _ + w2 = 0

(1.41)

en donde: mLK2 1 2 I (m + M ) + mM L2 K1 g (m + M ) , mL I (m + M ) + mM L2

, w2

Suponiendo las mismas condiciones iniciales que antes y usando la transformada de Laplace para resolver la ecuación diferencial (1.41) se obtiene: p 2 p w w2 1 t 2 t + tan (t) = 0 p w2 (1.42) e sin 2 w2 que es válida para valores reales del radical y cuya forma de onda se muestra en la …gura 1.21

Figura 1.21:

(t) para valores reales del radical en (1.42)

1.5 Ejemplo de introducción a sistemas de control

25

Cuando el término derivativo es grande en comparación con el término proporcional, el radical es imaginario y la respuesta del sistema es sobreamortiguada, como se muestra en la ecuación (t) =

1 2 n

0p

1

w2 p +

2 2

w2 e (

+

p

2

w2 )t

p

2

w2 e (

+

p

2

(1.43) o w2 )t

Esta solución que se muestra en la …gura 1.22, sucede cuando > jwj. Como se puede apreciar de las …guras 1.20, 1.21 y 1.22, no hay duda acerca

Figura 1.22: Respuesta

(t) sobre amortiguada

de la superioridad del control derivativo más proporcional sobre el control proporcional en este caso. Posteriormente se analizarán criterios para la escogencia de las ganancias K1 y K2 . Las estrategias de control usadas se escogieron con base en la intuición y luego se con…rmaron las respuestas aceptables del sistema. El análisis se simpli…có debido a que el sistema se linealizó. Existe in…nito número de estrategias de control, lineales y no lineales. Una no lineal es

26

Introducción a los sistemas de control

el control “on-o¤”, que se de…ne como: u=

j j

umax sgn = umax sgn

(1.44)

Nótese que el controlador propuesto en el anterior ejemplo no se garantiza para otras condiciones que las supuestas en el análisis, es decir, para pequeñas (in…nitesimales en el sentido estricto) perturbaciones.

Capítulo 2 Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado En contraste con el análisis y diseño mediante la función de transferencia de sistemas de control lineales, el método de las variables de estado (técnica de espacio de estado) es considerado como moderno ya que conduce al control óptimo. La característica básica de la formulación con variables de estado es que sistemas lineales, no lineales, invariantes y variantes con el tiempo, escalares y multivariables se pueden modelar de una manera uni…cada. Las funciones de transferencia, por otro lado, se de…nen solo para sistemas lineales e invariantes con el tiempo. Se considerarán sistemas determinísticos, es decir aquellos en los que su comportamiento futuro es completamente predecible. En realidad, los sistemas físicos no son completamente determinísticos debido a la falta de certeza en las observaciones y medidas, y por lo tanto en los modelos matemáticos. Cuando se siente duda acerca de la validez del modelo, lo mejor que se puede esperar es que el comportamiento del sistema estará dentro de ciertos límites. Los modelos dinámicos de la mayoría de sistemas físicos consisten de conjuntos de ecuaciones diferenciales ordinarias o parciales. Las “ordinarias” son aquellas en las que el tiempo t es la única variable independiente y las “parciales”cuando además aparecen derivadas con respecto a las coordenadas espaciales.

27

28

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Si en un caso particular se contruye un modelo con solo ecuaciones ordinarias, se ha supuesto tácitamente que ninguna de las variables dependientes es dependiente del espacio. En el sentido más estricto, esto es una aproximación. Nótese que al establecer el modelo matemático para un sistema existe un compromiso entre precisión y complejidad por un lado, y aproximación y simplicidad por el otro. Cada caso debe ser juzgado sobre sus propios méritos y sería imposible dar reglas generales. Sin embargo, la experiencia enseña que en la mayoría de los casos se puede reducir el modelo a un conjunto de ecuaciones diferenciales ordinarias. Este capítulo supondrá la existencia de tal conjunto. Es posible bajo suposiciones muy generales, reducir tal conjunto de ecuaciones a lo que se conoce como su forma normal. De esta manera se tienen las siguientes ventajas: 1. Las ecuaciones por sí mismas conducen a discusiones generales. 2. Cuando las ecuaciones representan un sistema de alto orden, es decir, cuando hay involucradas muchas variables dependientes, la forma normal combinada con la notación compacta de matrices y el algebra vectorial, permite usar un lenguaje matemático conveniente y elegante. 3. Las ecuaciones del sistema expresadas en esta forma son útiles para su programación directa tanto en computadores analógicos como digitales. 4. Las ecuaciones sirven como punto de partida para de…nir el estado de un sistema.

2.1.

Reducción de las ecuaciones diferenciales a su forma normal

Se normalizarán las ecuaciones diferenciales 1.26 y 1.27 obtenidas en el ejemplo introductorio. Resolviendo para las derivadas de más alto orden se obtiene en este caso: (m + M ) mgL I (m + M ) + mM L2 gm2 L2 y• = I (m + M ) + mM L2

• =

mL u I (m + M ) + mM L2 (I + mL2 ) u I (m + M ) + mM L2

(2.1) (2.2)

2.1 Reducción de las ecuaciones diferenciales a su forma normal

29

Estas dos ecuaciones de segundo orden de…nen juntas un sistema de cuarto orden. De…niendo x1 = , x2 = _ , x3 = y, x4 = y, _ y reescribiendo el sistema como ecuaciones diferenciales de primer orden a partir de las ecuaciones (1.26) y (1.27) se obtiene

(2.3)

x_ 1 = x2 (m + M ) mgL x1 I (m + M ) + mM L2 = x4 gm2 L2 = x1 I (m + M ) + mM L2

x_ 2 = x_ 3 x_ 4

mL u I (m + M ) + mM L2

(2.4) (2.5)

2

(I + mL ) u I (m + M ) + mM L2

(2.6)

Las ecuaciones (2.3) a (2.6) se pueden reescribir en forma matricial obteniendo la ecuación de estado 2 3 2 0 x_ 1 (m+M )mgL 6x_ 2 7 6 I(m+M )+mM L2 6 7=6 4x_ 3 5 6 0 4 gm2 L2 x_ 4 I(m+M )+mM L2

En forma compacta:

1 0 0 0

0 0 0 0

2 3 0 2x1 3 6 07 x2 7 6 76 6 7 74 5 + 6 15 x3 4 x 0 4

3

0

mL 7 I(m+M )+mM L2 7

0

(

I+mL2

)

I(m+M )+mM L2

x_ i = ai (x1 ; x2 ; x3 ; x4 ; u) ; i = 1; 2; 3; 4

7 u (t) 5

(2.7)

(2.8)

donde ai es la i-ésima función que relaciona las variables de estado y las entradas. Un sistema de ecuaciones diferenciales transformadas así se dice que es reducido a su forma normal. Nótese que la forma no es única ya que es posible encontrar diferentes conjuntos de variables x que resultan en una forma del tipo (2.8). En este ejemplo, que era de cuarto orden, fue necesario introducir 4 variables x. Generalmente para un sistema de orden n la reducción a su forma normal necesitará n variables x : x1 ; x2 ; : : : ; xn . Además, mientras en el ejemplo solo hay una variable de control u, en un caso más general se tendrán p variables de control u1 ; u2 ; : : : ; up . Así, el conjunto normal de ecuaciones diferenciales es de la forma:

30

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

x_ 1 = a1 (x1 ; x2 ; : : : ; xn ; u1 ; u2 ; : : : ; up ) x_ 2 = a2 (x1 ; x2 ; : : : ; xn ; u1 ; u2 ; : : : ; up ) .. . x_ n = an (x1 ; x2 ; : : : ; xn ; u1 ; u2 ; : : : ; up )

(2.9)

Integrando (2.9) se obtiene

xi (t) = xi (0)+

Z

t

ai (x1 ; x2 ; : : : ; xn ; u1 ; u2 ; : : : ; up ) d ; i = 1; 2; : : : ; n (2.10)

0

Nótese de (2.10) que cada una de las n variables x se pueden determinar en cada momento de tiempo t si y solo si: 1. Cada variable es inicialmente conocida (es decir, se deben especi…car n condiciones inciales xi (0)). 2. Todas las variables de control son especi…cadas en el intervalo 0 a t.

2.2.

Concepto de estado y variables de estado

De los resultados anteriores, se puede interpretar a las n variables independientes x como portadoras de toda la información sobre el estado transitorio del sistema. Inicialmente (t = 0), el estado total del sistema se puede expresar por las n variables evaluadas en cero x1 (0) ; x2 (0) ; : : : ; xn (0) y bajo la in‡uencia de las p variables de control y las ecuaciones que lo describen, el estado que se puede obtener de (2.10), cambiará. Se de…ne entonces el estado del sistema como el vector n-dimensional cuyas componentes son las variables de estado x1 (t) ; x2 (t) ; :::; xn (t): 2 3 x1 (t) 6 x2 (t) 7 6 7 x (t) , 6 .. 7 (2.11) 4 . 5 xn (t)

En general cada variable de estado tiene su signi…cado físico. Así en el ejemplo del péndulo invertido las 4 variables de estado representaban las posiciones

2.2 Concepto de estado y variables de estado

31

angular , lineal y, y las correspondientes velocidades _ y y. _ Para muchas clases de sistemas no es tan simple de…nirlas. Además. a veces se corre el riesgo de sobreespeci…car un sistema de…niendo demasiadas variables, es decir, las variables de estado escogidas no son todas independientes. La siguiente es una de…nición general del estado de un sistema: De…nición 2.1 El estado de un sistema es un conjunto mínimo de cantidades x1 (t) ; x2 (t) ; :::; xn (t) llamadas variables de estado, que contienen la información su…ciente sobre la historia pasada del sistema y que permiten calcular todos los estados futuros del sistema, suponiendo que todas las entradas futuras y las ecuaciones que describen el sistema se conocen. Es decir, si la variables de estado se conocen en un tiempo t = t0 pueden ser determinadas para t t0 al especi…car las entradas del sistema para t t0 . El número n de variables de estado de…ne el orden o la dimensión del sistema. A veces se usa el término espacio de estado para designar el espacio n-dimensional en el que x (t) varía. El vector de estado x (t) trazará un estado o trayectoria de fase en el espacio n-dimensional a medida que transcurre el tiempo. En el caso bidimensional el espacio de estado se llama plano de fase. Si se de…ne el vector de control u (t) p-dimensional 2 3 u1 (t) 6u2 (t)7 6 7 u (t) , 6 .. 7 4 . 5 up (t)

y la función vectorial a n-dimensional como 2 3 a1 6 a2 7 6 7 a , 6 .. 7 4.5 ap

se puede reescribir el conjunto de ecuaciones (2.9) en forma compacta usando la notación vectorial: x_ (t) = a (x (t) ; u (t)) (2.12) En el ejemplo del péndulo invertido los parámetros (g, L, etc.) eran invariantes con el tiempo. Sin embargo, algunos sistemas de control son

32

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

variantes con el tiempo. Por ejemplo, masas que varían con el consumo de combustible, la fuerza gravitatoria cambia a medida que un vehículo se aleja de la tierra, etc. En estos sistemas la función vectorial a será una función explícita del tiempo t. Entonces (2.12) será de la forma x_ (t) = a (x (t) ; u (t) ; t)

(2.13)

Si la función vectorial a corresponde a una función lineal, es posible escribir las ecuaciones (2.12) y (2.13) de la forma x_ (t) = Ax (t) + Bu (t)

(2.14)

x_ (t) = A (t) x (t) + B (t) u (t)

(2.15)

y

respectivamente. Donde las matrices A y B son matrices de dimensiones n n y n p, con elementos constantes para el caso de la ecuación (2.14) y con elementos variantes en el tiempo para el caso de la ecuación (2.15). Las cantidades físicas que pueden ser medidas son llamadas salidas del sistema y se denotan como y1 (t) ; y2 (t) ; :::; yq (t). El vector de salida 2 3 y1 (t) 6y2 (t)7 6 7 y (t) , 6 .. 7 4 . 5 yq (t)

es generalmente una combinación de las variables de estado y a veces de las variables de control. Es decir y (t) = Cx (t) + Du (t)

(2.16)

donde C y D son matrices de dimensiones q n y q p . Es importante hacer notar que, en general, el número de variables de estado de un sistema físico es igual al número de elementos almacenadores de energía independientes. La representación esquemática de un sistema lineal e invariante con el tiempo de acuerdo a las ecuaciones (2.14) y 2.16 se muestra en la …gura 2.1.

2.3 Ecuaciones de estado para circuitos eléctricos

33

Figura 2.1: Representación de un sistema lineal invariante con el tiempo

2.3.

Ecuaciones de estado para circuitos eléctricos

Se verá un procedimiento sistemático para asignar variables de estado y plantear las ecuaciones de estado para circuitos con parámetros concentrados que pueden contener fuentes independientes de voltaje y corriente. Si en una red eléctrica se conocen las corrientes en todas las inductancias y los voltajes en todos los condensadores, entonces el comportamiento de la red está completamente descrito. Por lo tanto es natural seleccionar como variables de estado las corrientes en todos los inductores y los voltajes en todos los capacitores en redes propias (que no son impropias). Una red impropia es aquella que contiene por lo menos una trayectoria cerrada (llamada impropia) compuesta únicamente de condensadores y/o fuentes independientes de voltaje y/o un corte (llamado impropio) formado únicamente por inductores (con o sin acoplamiento mutuo) y/o fuentes independientes de corriente. Nótese que al aplicar la segunda (primera) ley de Kirchho¤ a cada trayectoria impropia (corte impropio) aparece una dependencia lineal entre los voltajes (corrientes) de los condensadores (inductancias) que forman parte de ella (el). Por lo tanto, en una red impropia se deben escoger como variables de estado los voltajes en todos los condensadores, menos uno por cada trayectoria impropia (el correspondiente a cualquiera de los condensadores de la trayectoria impropia) y las corrientes en todas las inductancias, menos una por cada corte impropio

34

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

(la correspondiente a cualquiera de las inductancias del corte impropio) para que el número de variables de estado sea mínimo (es decir, no haya variables de estado redundantes). Recuérdese que un conjunto de cortes es mínimo si cada uno de ellos tiene una sola rama.

Figura 2.2: Circuitos impropios

Nótese que si en cualquiera de los circuitos impropios de la …gura 2.2 se asignan los voltajes en todos los condensadores y las corrientes en todas las inductancias como variables de estado se ve que x1 (t) = x2 (t) para todo t. Obviamente hay una redundancia aquí.

2.3.1.

Método sistemático para obtener las ecuaciones de estado

1. Hacer un grá…co y seleccionar un árbol que se llamará árbol normal, en donde las ramas de este se escogen en el siguiente orden: fuentes de voltaje, capacitores, resistencias, inductancias y fuentes de corriente. Por lo tanto, un árbol normal consiste de todas las las fuentes de voltaje, el máximo número permisible de capacitores (en el caso de una trayectoria impropia no todos los condensadores pueden formar parte del árbol), las resistencias y …nalmente el número mínimo de inductancias. Generalmente no contiene fuentes de corriente. 2. Asignar los voltajes en los condensadores que forman parte del árbol normal y las corrientes en las inductancias que corresponden a enlaces como variables de estado. Los voltajes en los condensadores que corresponden a enlaces y las corrientes en las inductancias que forman

2.3 Ecuaciones de estado para circuitos eléctricos

35

parte del árbol normal no son necesarios escogerlos como variables de estado. 3. Expresar los voltajes y corrientes a través de todas las resistencias, todos los condensadores que correspondan a enlaces y todos los inductores que forman parte del árbol normal en función de las variables de estado y las entradas (fuentes independientes) mediante la aplicación de la segunda y la primera ley de Kirchho¤ a los anillos (un anillo es una trayectoria cerrada que contiene un sólo enlace) y cortes que contienen aquellos elementos. 4. Aplicar la segunda y la primera ley de Kirchho¤ a cada anillo y cada corte que contiene cada elemento que ha sido asignado como variable de estado. Ejemplo 2.1 Plantear las ecuaciones de estado y de salida del circuito mostrado en la …gura 2.3

Figura 2.3: Circuito eléctrico ejemplo 2.1

Se obtiene el grá…co orientado que se muestra en la …gura 2.4, en donde el árbol es un árbol normal. Se escogen como variables de estado a 2 3 2 3 x1 v2 x = 4x2 5 = 4v3 5 x3 i7

Se expresan a v6 (y por tanto i6 ) e i4 (y por tanto v4 ) en función de las variables de estado y de las entradas, usando las leyes de Kirchho¤. Aplicando

36

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Figura 2.4: Grá…co del circuito de la …gura 2.3

la segunda ley de Kirchho¤ en el anillo formado por los nodos 1-0-2-1 se obtiene: v6 = u1 (t) x1 Por lo tanto: i6 =

u1 (t) x1 R1

(2.17)

Aplicando la primera ley de Kirchho¤ al corte c4 se obtiene: i4 = x 3 Por lo tanto: v 4 = R2 x 3 Ahora se obtienen las ecuaciones de estado. Aplicando la primera ley de Kirchho¤ al corte c2 , usando (2.17) y organizando se obtiene la ecuación (2.18) 1 1 1 1 x_ 1 = x1 x3 + u1 (t) + u2 (t) (2.18) R1 C1 C1 R1 C1 C1 Usando la primera ley de Kirchho¤ en el corte c3 y organizando se obtiene la ecuación (2.19) 1 x_ 2 = x3 (2.19) C2

2.3 Ecuaciones de estado para circuitos eléctricos

37

Aplicando la segunda ley de Kirchho¤ en el enlace formado por los nodos 0-2-3-4-0 y organizando se obtiene la ecuación x_ 3 =

1 x1 L

1 x2 L

R2 x3 L

(2.20)

Reescribiendo (2.18), (2.19) y (2.20) en forma matricial se obtiene la ecuación de estado 2 3 2 3 2 1 1 32 3 1 1 0 x_ 1 x1 R1 C 1 C1 R1 C 1 C1 u (t) 1 54 5 4x_ 2 5 = 4 0 0 x2 + 4 0 05 1 C2 u2 (t) R2 1 1 x_ 3 x3 0 0 L L L La ecuación de salida se puede expresar fácilmente en función de las variables de estado y las entradas como y = v7 = Lx_ 3 = x1

x2

R2 x 3

La cual escrita en forma matricial es y (t) = 1

1

2 3 x1 4 R2 x 2 5 x3

(2.21)

Nótese que el método anterior se puede extender a sistemas mecánicos tanto traslacionales como rotacionales, hidráulicos, neumáticos y térmicos si se utilizan las analogías que existen entre estos sistemas y los eléctricos. Sin embargo como se vió en el ejemplo al comienzo de este capítulo, existen vías naturales para obtener las ecuaciones de estado a partir de las obtenidas usando leyes físicas. Otras técnicas para obtener las ecuaciones de estado a partir de la función de transferencia (válida por lo tanto solo para sistemas lineales y escalares) se verán más adelante. Ejemplo 2.2 Plantear un conjunto de ecuaciones de estado para el sistema mecánico traslacional de la …gura 2.5. Nótese de la …gura 2.5 que hay dos velocidades c que se suponen positivas con respecto a la referencia. Utilizando la analogía fuerza-torque-corriente se obtiene el circuito eléctrico análogo al sistema mecánico traslacional de la …gura 2.5.De la analogía nótese que: Ci = Mi , Li = K1i , Ri = B1i , ei = y_ i ,

38

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Figura 2.5: Sistema mecánico traslacional 2.2

u = p, i = 1; 2. Las variables de estado son: x1 = v1 , x2 = v2 , x3 = i3 , x4 = i4 , en donde en el sistema mecánico x1 y x2 corresponden a las velocidades y_ 1 , y_ 2 y x3 , x4 a las fuerzas sobre los resortes K1 , K2 , respectivamente. Aplicando sumatoria de corrientes en los nodos 1 y 2 igual a cero se obtiene: (x2 x1 ) x1 + x3 x4 = 0 R1 R2 (x2 x1 ) C2 x_ 2 + + x4 u = 0 R2

C1 x_ 1 +

Figura 2.6: Circuito eléctrico análogo al sistema de la …gura 2.5

(2.22) (2.23)

2.3 Ecuaciones de estado para circuitos eléctricos

39

Figura 2.7: Gra…co orientado del circuito de la …gura 2.6

y calculando la sumatoria de voltajes igual a cero en los anillos 0-2-0 y 1-2-0-1 se obtiene L1 x_ 3 L2 x_ 4 + x1

x1 = 0 x2 = 0

(2.24) (2.25)

Reemplazando en las ecuaciones (2.22), (2.23), (2.24) y (2.25) y reescribiendo en forma matricial se obtiene la ecuación de estado de la forma 2 3 2 (B1 +B2 ) B2 32 3 2 3 1 1 0 x_ 1 x1 M1 M1 M1 M1 1 7 B2 1 1 7 6x 7 6x_ 2 7 6 B2 6 6 7 = 6 M2 M2 M2 M2 7 6 2 7 + 6 M2 7 p (t) (2.26) 4x_ 3 5 4 K 0 0 0 5 4x3 5 4 0 5 1 x_ 4 x4 0 K2 K2 0 0

Ejemplo 2.3 Plantear un conjunto de ecuaciones de estado para el sistema hidráulico de nivel de líquido de la …gura 2.8. El modelo matemático que se plantea supone que el sistema de la …gura 2.8 es lineal (‡ujo laminar) o que las variables son desviaciones pequeñas alrededor de un punto de operación. Un circuito eléctrico análogo al sistema de la …gura 2.8 se muestra en la …gura 2.9. Calculando sumatoria de corrientes en los nodos 1 y 2 igual a cero se obtiene Q (t) = C1 H_ 1 (t) +

H1 (t)

H2 (t) R1

H2 (t) H2 (t) H1 (t) 0 = C2 H_ 2 (t) + + R2 R1

(2.27) (2.28)

40

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Figura 2.8: Sistema de nivel de líquido con interacción

Figura 2.9: Circuito eléctrico análogo al sistema hidráulico de la …gura 2.8

Reescribiendo las ecuaciones 2.27 y 2.28 en forma matricial se obtiene la ecuación de estado: H_ 1 = H_ 2

1 R1 C1 1 R2 C 2

1 R1 C 1 R1 +R2 R1 R2 C 1

H1 + H2

1 C1

0

Q (t)

(2.29)

Si se considera como salida el caudal Q1 por ejemplo, la ecuación de salida esta dada por Q1 =

1 R1

1 R1

H1 H2

(2.30)

2.4 Linealización de sistemas no lineales

2.4.

41

Linealización de sistemas no lineales

Un sistema es lineal si cumple con el principio de superposición. Sea xI el vector de estado de un sistema con entrada arbitraria uI y xII el estado del mismo sistema con entrada arbitraria uII . Si se considera xI + xII el estado del sistema cuando las entradas uI y uII son aplicadas simultaneamente, entonces el principio de superposición se aplica y el sistema es lineal. Se supone que el estado inicial x (0) es cero en los tres casos. Se deja como ejercicio al lector probar que aquellos sistemas cuyas ecuaciones de estado son de la forma (2.31) son lineales. (2.31)

x_ = Ax + Bu

La teoría de control dispone de técnicas analíticas de su…ciente aplicabilidad general que pueden ser usadas en el gran número existente de sistema de ingeniería lineales o en aquellos no lineales pero que pueden ser linealizadas alrededor de un punto de operación. Sea el conjunto de ecuaciones de estado no lineales que describen el comportamiento de un sistema físico (2.32)

x_ (t) = a (x (t) ; u (t)) con ecuación de salida no lineal dada por

(2.33)

y (t) = c (x (t) ; u (t))

y en donde u es un vector columna de p entradas, y es un vector columna de q salidas, x es un vector columna de n variables de estado, y donde a y c son funciones vectoriales no lineales que dependen de u y de x. Sea la trayectoria nominal de operación denotada por x0 , la cual corresponde a la entrada nominal u0 . Lógicamente x0 satisface la ecuación vectorial (2.34) (2.34)

x_ 0 = a (x0 ; u0 )

Expandiendo en series de Taylor la ecuación de estado no lineal (2.32) alrededor de un punto de operación, se obtiene 2 3 p 1 n k k k k X X X xj uj @ ai (x; u) @ ai (x; u) 4 5 (2.35) x_ i = + k k k! k! @x @u j j j=1 j=1 k=1 x0 ;u0

x0 ;u0

42

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

donde i = 1; 2; : : : ; n, x_ i = x_ i ai (x0 ; u0 ), xkj = (xj x0j )k y ukj = (uj u0j )k . Si se desprecian las derivadas de orden superior, se obtiene la ecuación simpli…cada x_ i =

n X @ai (x; u)

@xj

j=1

xj +

p X @ai (x; u) j=1

x0 ;u0

@uj

(2.36)

uj x0 ;u0

La ecuación (2.36) se puede escribir de forma matricial como (2.37)

x_ = A x + B u donde 2 @a1

@x1 6 @a2 6 @x1

A=6 . 4 ..

@an @x1

@a1 @x2 @a2 @x2

.. .

..

3

.

@an @x2

2 @a1

@a1 @xn @a2 7 @xn 7

.. 7 . 5

@an @xn

x0 ;u0

@u1 6 @a2 6 @u1

;B = 6 . 4 ..

@an @u1

@a1 @u2 @a2 @u2

.. .

..

@a1 3 @up @a2 7 @up 7

.. 7 . 5

.

@an @u2

@an @up

x0 ;u0

De manera similar para la ecuación de salida no lineal descrita por (2.33) se tiene 2 3 p 1 n k k k k X X @ ci (x; u) X @ ci (x; u) xj uj 4 5 (2.38) yi = + k k k! k! @x @u j j j=1 j=1 k=1 x0 ;u0

donde i = 1; 2; : : : ; q, yi = yi orden superior se obtiene yi =

n X @ci (x; u)

@xj

j=1

x0 ;u0

ci (x0 ; u0 ). Si se desprecian las derivadas de

xj +

p X @ci (x; u) j=1

x0 ;u0

@uj

(2.39)

uj x0 ;u0

La ecuación (2.39) se puede escribir de forma matricial como (2.40)

y =C x+D u donde 2 @c1

@x1

6 @c2 6 @x C = 6 .. 1 4 . @cq @x1

@c1 @x2 @c2 @x2

.. .

@cq @x2

...

@c1 3 @xn @c2 7 @xn 7

.. 7 . 5

@cq @xn

x0 ;u0

2 @c

1 @u1 @c2 @u1

6 6 ;D = 6 6 .. 4 .

@cq @u1

@c1 @u2 @c2 @u2

.. .

@cq @u2

..

3

.

@c1 @up @c2 7 @up 7

.. 7 7 . 5

@cq @up

x0 ;u0

2.4 Linealización de sistemas no lineales

43

Nótese que las matrices A, B, C y D son evaluadas en el punto de nominal. Así se ha linealizado el sistema no lineal de las ecuaciones 2.32 y 2.33 en un punto nominal de operación. Sin embargo, en general, aunque las ecuaciones (2.37) y 2.40 son lineales, podrían contener elementos que varían con el tiempo. Ejemplo 2.4 La …gura 2.10 muestra el diagrama de un sistema de suspensión magnético de una bola metálica. El objetivo del sistema es controlar la posición de la bola ajustando la corriente en el electroimán mediante el voltaje de entrada e (t). Plantear un modelo matemático mediante ecuaciones de estado y linealizarlo alrededor del punto de equilibrio y0 (t) = Y0 = constante.

Figura 2.10: Sistema de suspensión magnético de una bola

Las ecuaciones que describen el comportamiento del sistema se pueden obtener aplicando la segunda ley de Newton a la bola y la segunda ley de Kirchho¤ al circuito eléctrico: d2 y i2 = M 2 y dt

Mg

e (t) = Ri + L

(2.41) di dt

Si se de…nen las variables de estado como: x1 = y, x2 = ecuaciones de estado del sistema son

x_ 3 =

dy , dt

x3 = i, las (2.43)

x_ 1 = x2 x_ 2 = g

(2.42)

x23

1 M x1 R 1 x3 + e (t) L L

(2.44) (2.45)

44

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Se determina el punto nominal de operación. Puesto que y0 = x01 = Y0 = constante, entonces x02 = x_ 01 =p0. Además, como y•0 = 0, reemplazando éste en (2.41) se obtiene i0 = x03 = M gY0 . Utilizando el punto nominal de operación y linealizando las ecuaciones de estado no lineales se obtiene 32 2 3 20 1 3 2 3 0 x_ 1 x1 0 q g 74 g 4 x_ 2 5 = 6 5 4 2 M Y0 5 x2 + 0 5 e (t) 4 Y0 0 1 R x_ 3 x3 0 0 L L

Ejemplo 2.5 La …gura 2.11 muestra el esquema general de un motor de corriente continua donde se tienen como entradas el voltaje de campo vf y el voltaje en la armadura va . Plantear un modelo de espacio de estado linealizado alrededor un punto de operación

Figura 2.11: Motor de corriente continua

El comportamiento del sistema es descrito con las siguientes ecuaciones dia + ea dt ea = K0 ! = K1 if ! = K0 ia = K1 if ia d! + B! =J dt dif v f = R f if + L f dt v a = R a ia + L a

(2.46) (2.47) (2.48) (2.49) (2.50)

2.4 Linealización de sistemas no lineales

45

que corresponden a ecuaciones diferenciales no lineales. Las ecuaciones (2.46) a (2.50) pueden ser linealizadas alrededor de un punto de operación como d ia + ea dt + K 0 0 ! = K 1 ! 0 if + K 1 i f 0 ! + K0 0 ia = K1 ia0 if + K1 if 0 ia

v a = R a ia + L a

(2.51)

ea = K0 ! 0 = K0 ia0 d ! +B ! = J dt d if v f = R f if + L f dt

(2.52) (2.53) (2.54) (2.55)

donde ! 0 , if 0 , ia0 son los valores de las variables de estado en el punto de operación. Las ecuaciones (2.51) a (2.55) describen el comportamiento del sistema alrededor del punto de operación especi…cado. Estas ecuaciones pueden ser organizadas como ecuaciones de estado así: d ! = dt d ia = dt d if = dt

B K1 ia0 K1 i f 0 ! if ia J J J K 1 if 0 K1 ! 0 Ra 1 ! if ia + va La La La La Rf 1 if + vf Lf Lf

y si se reemplazan como variables de estado x1 = !, x3 = ia , se puede escribir la ecuación de estado en forma sistema linealizado como se muestra en la ecuación (2.56). 3 3 2 3 2 2 3 K1 if 0 2 K1 ia0 B 0 0 x_ 1 x1 J J J K1 if 0 1 K1 ! 0 Ra 7 4 4 x_ 2 5 = 6 x2 5 + 4 La 0 5 4 La La La 5 Rf 0 L1f x_ 3 x3 0 0

x 2 = if y matricial del

va vf

(2.56)

Lf

Si se de…nen como variables de salida la velocidad angular ! y el torque , entonces se puede plantear la ecuación de salida del sistema como 2 3 x1 ! 1 0 0 4 x2 5 = (2.57) 0 K1 ia0 K1 if 0 x3

El ejercicio 2.10 muestra que al ser linealizado un sistema no lineal resulta en uno que es lineal variante con el tiempo.

46

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

2.5.

Efectos de las perturbaciones en las ecuaciones de estado

Los modelos matemáticos construidos hasta ahora no han tenido en cuenta las perturbaciones z1 ; z2 ; : : : ; zk . si tales entradas están presentes, las ecuaciones de estado (2.9) se modi…carían así: x_ i = ai (x1 ; x2 ; : : : ; xn ; u1 ; u2 ; : : : ; up ; z1 ; z2 ; : : : ; zk ) ; i = 1; 2; : : : ; n Si se de…ne el vector de perturbaciones: 2 3 z1 (t) 6z2 (t)7 6 7 z (t) , 6 .. 7 4 . 5 zk (t)

(2.58)

(2.59)

el sistema (2.58) se puede escribir en forma compacta como x_ (t) = a (x (t) ; u (t) ; z (t))

(2.60)

la cual es una versión más general de la ecuación (2.12). Si, en particular, el sistema es lineal en todas estas variables, entonces (2.60) toma la forma x_ = Ax + Bu + Fz en donde F es una matriz de dimensiones n

2.6.

(2.61)

k.

Transformaciones similares

Encontrar un vector de estado no signi…ca que se encontró el vector de estado. Generalmente es posible encontrar un número in…nito de vectores de estado. Esto se puede mostrar por el hecho de que dado un conjunto de ecuaciones de estado y de salida para un sistema, se puede formar otro conjunto de ellas por un cambio de variables: x ^ (t) = Tx (t) , det (T) 6= 0

(2.62)

por lo que es posible obtener x (t) = T 1 x ^ (t)

(2.63)

2.7 Análisis lineal

47

Reemplazando (2.63) en (2.14) y 2.16 se obtiene: T 1x ^ (t) = AT 1 x ^ (t) + Bu (t) y (t)= CT 1 x ^ (t) + Du (t) de donde x ^ (t) = TAT 1 x ^ (t) + TBu (t) ^ x (t) + Bu ^ (t) x ^ (t) = A^

(2.64)

^ x (t) + Du (t) y (t)= C^

(2.65)

en donde ^ = TAT A

1

^ = TB; C ^ = CT ;B

1

(2.66)

Esta trasnformación de variables de estado es conocida como una transformación similar.

2.7.

Análisis lineal

Se verán los métodos más útiles de solución analítica para las ecuaciones de estado de sistemas lineales e invariantes con el tiempo. Sea entonces: x_ = Ax + Bu, con x (0) = x0

(2.67)

en donde A y B son matrices constantes y x0 es el vector de estado inicial. Nótese que los resultados serán completamente aplicables a la forma lineal más general: x_ = Ax + Bu + Fz ya que esta última ecuación puede ser reescrita como x_ = Ax + B0 u0 en donde B0 = B F

n (m+k)

y u0 =

u z

(m+k) 1

48

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

2.7.1.

Solución en términos de la matriz exponencial

La solución de la ecuación escalar (2.68) x_ = ax + bu con x (0) = x0

(2.68)

se puede escribir como: x = xh + xp en donde xh es la solución de la ecuación homogénea (2.69) x_ = ax con x (0) = x0

(2.69)

y xp es una solución particular (forzada o controlada) de la ecuación (2.68). Se supone una solución xh en la forma de una serie in…nita de potencias en t. xn = a0 + a1 t + a2 t2 + + av tv + (2.70) Si esta serie representa una solución, entonces debe satisfacer la ecuación homogénea: a1 + 2a2 t + 3a3 t2 +

= a a0 + a1 t + a2 t2 +

y comparando coe…cientes se obtiene: a1 = aa0 1 aa1 = a2 = 2 1 aa2 = a3 = 3 .. . 1 v av = a a0 v!

1 2 a a0 2 1 3 a a0 6

Como para t = 0, xh = x0 = a0 , la solución homogénea es: xh =

1 + at +

1 22 at + 2!

+

1 v v a t + v!

x0

(2.71)

La serie in…nita de potencias entre paréntesis se de…ne como la exponencial escalar eat . Entonces: xh = eat x0 (2.72)

2.7 Análisis lineal

49

Por cualquiera de los métodos clásicos se puede encontrar la solución particular: Z t Z t a at ea(t ) bu ( ) d (2.73) e bu ( ) d = xp = e 0

0

y la solución total de (2.68) es entonces:

Z

t

e a bu ( ) d x (t) = e x0 + e Z t 0 ea(t ) bu ( ) d x (t) = eat x0 + at

at

(2.74) (2.75)

0

Por analogía con el caso escala se obtendrá la solución homogénea del sistema: (2.76)

x_ = Ax, x (0) = x0

Se supone una solución en la forma de un vector en series de potencias en t: + av tv +

x = a0 + a1 t + a2 t2 +

(2.77)

con (2.77) en (2.76) se obtiene: a1 + 2a2 t2 + 3a3 t3 +

= A a0 + a1 t + a2 t2 +

Por lo tanto: a1 = Aa0 1 1 a2 = Aa1 = A2 a0 2 2 .. . 1 v av = A a0 v! Puesto que para t = 0, x (0) = x0 = a0 , la solución homogénea es: 1 x = I + At+ A2 t2 + 2!

+

1 v v A t + v!

x0

(2.78)

La expresión dentro de paréntesis es una matriz n n y debido a su similitud con la serie in…nita de potencias para un exponencial escalar, se le denomina matriz exponencial y se denota con el símbolo eAt , es decir: 1 eAt , I + At+ A2 t2 + 2!

+

1 v v A t + v!

(2.79)

50

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Se puede demostrar que esta serie matricial (así como la escalar) converge absoluta y uniformemente para todo t …nito. La solución homogénea de (2.76) en forma compacta es: x_ (t) = eAt x0

(2.80)

La matriz exponencial también se conoce como la matriz de transición o matriz fundamental y a menudo se simboliza por (t). Puesto que eAt es una matriz de n n, la expresión (2.80) es una transformación lineal a través de la cual el estado inicial x0 es transformado en el estado actual x (t). Las siguientes son algunas de las características de la matriz exponencial: 1.

d dt

eAt = AeAt = eAt A

2. eA(t1 +t2 ) = eAt1 eAt2 = eAt2 eAt1 3. eAt e

At

=I

es decir la inversa de eAt se calcula simplemente reemplazando t pot t en (2.79). Una interesante propiedad de la solución homogénea (2.80) es la siguiente: considérese un proceso lineal en el cual en los instantes 0, t1 y t2 , los estados son x0 , x1 y x2 , respectivamente. De (2.80) se tiene: x1 = eAt1 x0 x2 = eAt2 x0 De las características de la matriz exponencial y de esta última ecuación se tiene: x2 = eA(t2 t1 ) eAt1 x0 = eA(t2 t1 ) x1 Es decir, el estado del sistema en cualquier tiempo t2 se puede obtener por una transformación del estado en cualquier otro tiempo t1 usando la matriz exponencial como una matriz de transformación. Ejemplo 2.6 Considérese un sistema con: x_ 1 1 0 = x_ 2 1 1

x1 x2

con x (0) =

1 1

2.7 Análisis lineal

51

de (2.79) se obtiene: eAt =

1 + t + 0:5t2 + t + t2 +

0 1 + t + 0:5t2 +

y por tanto x1 1 + t + 0:5t2 + = x2 1 + 2t + 1:5t2 + La solución para cada componente de x se obtiene truncando la serie de potencias en t correspondiente. Nótese que la solución se caracteriza por un incremento en la precisión para valores pequeños de t. Si se requiere una buena solución en el rango 0 < t < tf es necesario incluir un gran número de términos. Entre mayor el intervalo tf , mayor será el número de términos necesarios. En los computadores digitales para truncar el cálculo de eAt de (2.79) se mantiene un continuo chequeo del residuo R (m; t): 1 mm 1 22 At + + A t + R (m; t) 2! m! El cálculo de eAt se obtiene cuando la norma de la matriz R (m; t), kR (m; t)k, alcanza un mínimo. Para propósitos de cálculo se acostumbra de…nir la norma de una matriz, la cual es un escalar que mide la magnitud absoluta de todos los n2 elementos de una matriz P de dimensiones n n. Sea 2 3 p11 p1n 6 .. . . .. 7 4 . . . 5 eAt = I + At +

pn1

pnn

Una norma de P puede ser:

kPk =

n X

p2ij

(2.81)

i;j=1

Se procederá ahora a buscar la solución completa de (2.67), también conocida como la ecuación transición de estado. Análoga a la solución escalar se intentará la siguiente solución: Z t At At x (t) = e x0 + e e A Bu ( ) d (2.82) 0 Z t At x (t) = e x0 + eA(t ) Bu ( ) d (2.83) 0

52

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Se debe probar entonces que (2.83): 1. Satisface la ecuación diferencial (2.67) 2. Se reduce a x0 para t = 0. Haciendo t ! 0 se satisface la última condición: l m x (t) = Ix0 + I0 = x0 t!0

Para probar la primer condición se deriva (2.83) con respecto a t: Z t At At At At x_ (t) = Ae x0 + e e Bu (t) + Ae e A Bu ( ) d 0 Z t x_ (t) = AeAt x0 + IBu (t) + AeAt e A Bu ( ) d 0 Z t x_ (t) = A eAt x0 + eAt e A Bu ( ) d + Bu (t) 0

x_ (t) = Ax (t) + Bu (t)

Esto completa la prueba. Ejemplo 2.7 Sea el sistema x_ 1 1 0 = x_ 2 1 1

x1 x2

con x (0) =

1 1

y u (t) un escalón unitario de…nido por: u (t) =

1, t > 0 0, t < 0

Del ejemplo anterior se tiene: At

e

1

=

t + 0:5t2 t + t2

1

0 t + 0:5t2

entonces e Z

0

A

Bu ( ) =

t

e

A

Bu ( ) d

=

1 + 0:5 2 1 2 + 1:5 2 t 21 t2 + 16 t3 t t2 + 12 t3

2.7 Análisis lineal

53

De (2.83) se tiene: At

x (t) = e

x0 +

Z

t A

e

Bu ( ) d

0

Por lo tanto: x (t) = eAt

1 + t 21 t2 + 61 t3 1 + t t2 + 12 t3

=

1 + 2t + t2 + 1 + 3t + 2:5t2 +

La ecuación de transición de estado (2.83) es útil solo cuando el tiempo inicial se de…ne en t = 0. En el estudio de sistemas de control, especialmente sistemas discretos, a menudo se desea separar un proceso de transición de estados en una sucesión de transiciones, y por lo tanto se debe escoger un tiempo inicial más ‡exible. Sea este t0 con su correspondiente estado inicial x (t0 ) y supóngase que la entrada u (t) se aplica para t 0. Evaluando (2.83) en t = t0 y resolviendo para x (0) se tiene: Z t0 At0 At0 x (0) = e x (t0 ) e eA(t0 ) Bu ( ) d (2.84) 0

Con (2.84) en (2.83): At

x (t) = e e = eA(t = eA(t

Z

Z

t0

t

eA(t ) Bu ( ) d Bu ( ) d + Z 00 Z t 0 t0 ) eA(t ) Bu ( ) d x (t0 ) + eA(t t0 ) eA(t0 ) Bu ( ) d + t0 0 Z 0 Z t t0 ) x (t0 ) + eA(t0 ) Bu ( ) d + eA(t ) Bu ( ) d At0

x (t0 )

At

e e

At0

A(t0

e

)

t0

0

Entonces: A(t t0 )

x (t) = e

x (t0 ) +

Z

t

eA(t0

)

Bu ( ) d

(2.85)

t0

Nótese que (2.85) se reduce a (2.83) para t0 = 0.

2.7.2.

Solución por medio de la trasformada de Laplace

La gran popularidad de la transformada de Laplace depende de su habilidad para transformar cierta clase de ecuaciones diferenciales en ecuaciones algebraicas y la facilidad para el manejo de las condiciones iniciales.

54

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Transformando ambos miembros de (2.67) se tiene: (2.86)

sX (s) x0 = AX (s) + BU (s) sX (s) AX (s) = x0 + BU (s) (sI A) X (s) = x0 + BU (s) X (s) = (sI

A)

1

x0 + (sI

A)

1

(2.87)

BU (s)

Si la ecuación de salida es: (2.88)

y = Cx + Du transformando (2.88) y reemplazando (2.87) en ella se obtiene: Y (s) = C (sI

A)

1

x0 + C (sI

A)

1

(2.89)

B + D U (s)

Si se supone el estado inicial nulo x0 = 0, se de…ne la matriz de transferencia H (s) aquella que relaciona la transformada de Laplace de la respuesta Y (s) con la transformada de Laplace de la excitación U (s), así (2.90)

Y (s) = H (s) U (s) donde H (s) = C (sI

A)

1

(2.91)

B+D

de forma que 32 3 2 3 2 Y1 (s) H11 (s) H12 (s) H1p (s) U1 (s) 6Y2 (s)7 6H21 (s) H22 (s) 6 7 H2p (s)7 6 7 6 7 6U2 (s)7 6 .. 7 = 6 .. .. .. 7 6 .. 7 ... 4 . 5 4 . . . 54 . 5 Yq (s) Hq1 (s) Hq2 (s) Hqp (s) Up (s)

(2.92)

donde Hjk corresponde a la función de transferencia que relaciona la entrada Uk con la salida Yj . El vector de estado x (t) se obtiene por la transformación inversa de (2.87) x (t) = L

1

fX (s)g = L

1

(sI

A)

1

x0 = L

1

(sI

A)

1

x0

De donde se obtiene una nueva representación para la matriz exponencial: eAt = L

1

(sI

A)

1

(2.93)

Nótese que (2.93) suministra una expresión explícita para la matriz de transición.

2.7 Análisis lineal

55

Ejemplo 2.8 Considérese el ejemplo 2.7, en donde 1 0 1 1

A= Por lo tanto, (sI

A)

1

adj (sI = det (sI

A) 1 s 1 0 = = 2 1 s 1 A) (s 1)

"

1 s 1 1 (s 1)2

0 1 s 1

#

y de (2.93): eAt =

et 0 tet et

Si se supone el mismo estado inicial 1 1

x0 =

se obtiene la solución explícita para x (t): x (t) = eAt x0 =

2.7.3.

et et (t + 1)

Valores propios

La ecuación característica de un sistema se de…ne igualando a cero el denominador de la matriz de transferencia. Es decir: det (sI

A) = 0

(2.94)

Las raices de esta ecuación son llamados los valores propios de la matriz A, las cuales resultan ser las frecuencias naturales del sistema. Una propiedad importante de la ecuación característica y de los valores propios es que son invariantes bajo una transformación no singular. Es decir, cuando la matriz A es transformada por: x ^ (t) = Tx (t) de modo que ^ = TAT A

1

(2.95)

56

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

^ son idénticos a entonces la ecuación característica y los valores propios de A los de A. La siguiente es la demostración ^ =sI TAT 1 =sTT 1 TAT 1 sI A ^ es La ecuación característica de A det sI

^ A

= det ssTT

1

= det (T) det (sI = det (T) det (sI det sI

2.8.

^ A

= det (sI

TAT

1

= det T (sI

A) T

1

A) det T 1 1 A) det (T)

A)

(2.96)

Realizaciones de las ecuaciones de estado

Al plantear el modelo matemático de un sistema físico con ecuaciones diferenciales de primer orden, y linealizarlo alrededor de un punto de operación, es posible obtener una representación matricial de las ecuaciones de estado y de salida de la forma x= _ Ax + Bu y= Cx + Du donde A es la matriz de realimentación, B es la matriz de entrada, C es la matriz de salida, D es la matriz directa. Puesto que en la mayoría de los casos D = 0 se puede obtener una ecuación de salida simpli…cada de la forma y= Cx Sin embargo, la representación de un sistema en espacio de estados no es única. Existen diferentes maneras de obtener una representación en espacio de estados a partir de las ecuaciones diferenciales que modelan un sistema físico, o a partir de su matriz de transferencia. Se presentarán varias formas (también llamadas realizaciones o simulaciones) canónicas para la representación de las ecuaciones de estado denominadas Controlador (“Controller”), Controlable (“Controlability”), Observador (“Observer”), Observable (“Observability”). Estas realizaciones se analizarán para el caso de sistemas de una entrada y una salida (SISO). Se hace énfasis en que hay in…nito número de realizaciones diferentes.

2.8 Realizaciones de las ecuaciones de estado

2.8.1.

57

Realización tipo “Controller”

Considere la ecuación diferencial para un sistema SISO dada por y (n) +a1 y (n

1)

+an 1 y (1) +an y = b0 u(n

1)

+b1 u(n

2)

+bn 2 u(1) +bn 1 u (2.97) Al aplicar transformada de Laplace con condiciones iniciales nulas, es posible obtener la función de transferencia del sistema, de la forma +

H (s) =

+

b 0 sn 1 + b 1 sn 2 + + bn 1 Y (s) = n n 1 n 2 U (s) s + a1 s + a2 s + + an

(2.98)

En este caso, se supone que el grado del polinomio del numerador es menor que el del denominador, que es lo que generalmente ocurre. Dividiendo tanto el numerador como el denominador de H (s) por sn , se obtiene H (s) =

Y (s) b0 s 1 + b1 s 2 + + bn 1 s n = U (s) 1 + a1 s 1 + a2 s 2 + + an s n

(2.99)

Si se de…ne E (s) =

1 + a1 s

1

1 + a2 s 2 +

U (s)

(2.100)

E (s) + U (s)

(2.101)

+ an s

n

entonces E (s) =

a1 s 1 E (s)

a2 s 2 E (s)

an s

n

De la ecuación (2.101) se implementa la parte inferior del diagrama de bloques de la …gura 2.12 Reemplazando la ecuación (2.100) en (2.99) se obtiene Y (s) = b0 s 1 E (s) + b1 s 2 E (s) +

+ bn 1 s

n

E (s)

(2.102)

De la ecuación (2.102) se obtiene la parte superior del diagrama de bloques de la …gura 2.12. Si se de…nen las salidas de los integradores como variables de estado, de la …gura 2.12 se obtiene: Xn (s) = s 1 Xn 1 (s) .. . X2 (s) = s 1 X1 (s) (2.103) 1 X1 (s) = s [ a1 X1 (s) a2 X2 (s) an Xn (s) + U (s)] Y (s) = b1 X1 (s) + b2 X2 (s) + + bn Xn (s)

58

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Figura 2.12: Realización canónica tipo Controlador

Aplicando la transformada inversa de Laplace a (2.103) y escribiendo en forma matricial se obtiene la ecuación de estado (2.104) y de salida (2.105). 2 3 x_ 1 a1 6 x_ 2 7 6 1 6 7 6 6 .. 7 = 6 .. 4 . 4.5 0 x_ n 2

y (t) =

b0 b1

a2 0 .. .

..

32 3 2 3 an x1 1 7 6 6 7 0 7 6 x2 7 607 7 .. 7 6 .. 7 + 6 .. 7 u (t) 5 4 4 5 . . .5

.

1

bn

1

0 xn 2 3 x1 6 x2 7 6 7 6 .. 7 4.5 xn

(2.104)

0

(2.105)

es decir x= _ Ac x + Bc u y= Cc x

(2.106) (2.107)

donde Ac , Bc , y Cc son las matrices de realimentación, de entrada y de salida, respectivamente, en la forma canónica Controlador (Controller).

2.8 Realizaciones de las ecuaciones de estado

2.8.2.

59

Realización tipo “Observer”

Considere la ecuación diferencial para un sistema SISO dada en (2.97). Reorganizando la ecuación (2.97) se obtiene y (n) + [a1 y

b0 u](n

1)

+

+ [an 1 y

bn 2 u](1) = [bn 1 u

an y]

(2.108)

Integrando ambos miembros de la ecuación (2.108) y de…niendo las variables de estado, se obtiene: Z (n 2) (n 1) y + [a1 y b0 u] + + [an 1 y bn 2 u] = [bn 1 u an y] dt = xn (2.109)

Reorganizando (2.109) y (n

1)

+[a1 y

b0 u](n

2)

+

+[an 2 y

bn 3 u](1) = xn +bn 2 u an 1 y (2.110)

e integrando (2.110), se obtiene y

(n 2)

+[a1 y

(n 3)

b0 u]

+

+[an 1 y

bn 2 u] =

Z

[xn + bn 2 u

Se repite el mismo proceso hasta que …nalmente se obtiene Z (1) y + [a1 y b0 u] = [x3 + b1 u a2 y] dt = x2 y (1) = x2 + b0 u

a1 y

an 1 y] dt = xn (2.111)

(2.112) (2.113)

Las ecuaciones (2.109), a (2.113) se pueden implementar mediante el diagrama de bloques de la …gura 2.13 Las ecuaciones de estado y de salida se obtienen directamente del diagrama de la …gura 2.13, las cuales escritas en forma matricial son 2 3 2 32 3 2 3 a1 1 0 x_ 1 x1 b0 . . . .. 7 6 x 7 6 b 7 6 x_ 2 7 6 .7 6 27 6 1 7 6 7 6 a2 0 (2.114) 6 .. 7 = 6 . 7 6 . 7 + 6 . 7 u (t) . . .. . . 15 4 .. 5 4 .. 5 4.5 4 .. x_ n bn 1 an 0 0 xn 2 3 x1 6 x2 7 6 7 0 6 .. 7 y (t) = 1 0 (2.115) 4.5 xn

1

60

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Figura 2.13: Realización canónica tipo Observador

es decir

x_ = Ao x + Bo u y = Co x

(2.116) (2.117)

Se dice que las realizaciones Controlador y Observador son duales puesto que: Ao = ATc ; Bo = CTc ; Co = BTc

2.8.3.

(2.118)

Realización tipo “Controlability”

Se puede veri…car que el sistema de la …gura 2.14 tiene la misma función de transferencia de la ecuación (2.99). De la …gura 2.14 se obtiene la ecuación matricial de estado y de salida:

x_ = ACo x + BCo u y = CCo x

(2.119) (2.120)

2.8 Realizaciones de las ecuaciones de estado

61

Figura 2.14: Realizacion tipo Controlable

donde

ACo

2 0 61 6 = 6 .. 4. 0

CCo =

2.8.4.

0

0 0 1

... 1

1

2 3 3 1 an 607 an 1 7 6 7 7 .. 7 ; BCo = 6 .. 7 4.5 . 5 a1 0 n 1

= b0 b1

bn

1

2 1 a1 6 60 1 6. . 4 .. . . 0

3 an 1 .. 7 .. . . 7 7 ... a1 5 0

1

1

Realización tipo “Observability”

El sistema de la …gura 2.15 tiene la misma función de transferencia de la ecuación (2.99). De la …gura 2.15 se tiene que la ecuación matricial de estado y de salidas están dadas por: x_ = AOb x + BOb u y = COb x

(2.121) (2.122)

62

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Figura 2.15: Realización tipo Observable

donde

AOb

BOb

2

3 0 1 0 6 .. .. 7 ... ... 6 . . 7 = 6 7 ; COb = 1 0 4 0 0 1 5 a1 an 1 an 3 3 12 2 3 2 1 0 0 b0 0 . . .. 7 6 b 7 6 7 6 . .7 6 1 7 1 6 1 7 6 a1 = 6 .. 7 = 6 . 7 6 . 7 . . .. . . 05 4 .. 5 4 . 5 4 .. bn 1 an 1 a1 1 n 1

0

Las realizaciones Observable y Controlable son duales puesto que: AOb = ATCo ; BOb = CTCo ; COb = BTCo

2.8.5.

(2.123)

Realización tipo paralelo o diagonal

Si se expande en fracciones parciales la función de transferencia del sistema: Y (s) b (s) X gi H (s) = = = U (s) a (s) (s i=1 n

i)

(2.124)

2.9 Función de transferencia nominal

63

en donde todos los i son distintos y reales, cada término de la derecha de (2.124) se puede implementar fácilmente y luego H (s) se obtiene como una combinación paralela de estas implementaciones elementales. Las ecuaciones de estado y de salida son: (2.125) (2.126)

x_ = AD x + BD u y = CD x en donde AD = diag ( i ; Si algunas de las raices

i

2; : : : ;

n)

(2.127)

son repetidas, como por ejemplo: p

X p (s) gj YT (s) = HT (s) = = p j UT (s) (s (s r) r) j=1

(2.128)

la realización que se obtiene es la diagonal modi…cada o de Jordan. En el caso de que algunas de las raices del polinomio del denominador sean complejas, ellas deben ocurrir por pares conjugados ya que los coe…cientes de este polinomio son reales. Como se demostró anteriormente un sistema puede tener in…nito número de realizaciones. Entre ellas está, por ejemplo, la realización en cascada, la cual puede ser útil cuando la función de transferencia está en forma factorizada. En este caso se implementan individualmente las funciones de transferencia de los términos factorizados y luego se conectan en cascada.

2.9.

Función de transferencia nominal

En el caso de sistemas escalares y con la matriz directa D = 0, la función de transferencia puede ser calculada como H (s) = C (sI

A)

1

B=

C [adj (sI det (sI

Si b (s) y a (s) tienen factores comunes, entonces: b (s) br (s) = a (s) ar (s)

b (s) A)] B = A) a (s)

64

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

en donde br (s) y ar (s) son primos relativos, es decir, no tienen factores comunes (excepto posiblemente constantes). Si se desea escribir la función de transferencia como una función racional, entonces: br (s) H (s) = ar (s) b(s) Sin embargo, la relación a(s) tiene un signi…cado especial con respecto a la realización fA; B; Cg y por esto se de…nirá la función de transferencia nominal como b (s) C [adj (sI A)] B , det (sI A) a (s) a la cual simplemente se le llamará función de transferencia, a menos que sea b(s) necesario hacer la distinción entre a(s) y abrr(s) . Tal ocasión sucede con respecto (s) a los polos y los ceros de una función de transferencia, los cuales son las raices de los polinomios ar (s) y br (s) respectivamente. En particular, los polos son también las raices de a (s) = det (sI A) y por lo tanto valores propios de A o frecuencias naturales de la realización fA; B; Cg. Sin embargo, no todos los valores propios de A (raices de a (s)) son raices de ar (s) (polos de H (s)), a menos que a (s) = ar (s). La anterior discusión explica el por qué la función de transferencia da una descripción externa de un sistema, mientras que las ecuaciones de estado (o b(s) , dan una el conjunto fA; B; Cg) ó la función de transferencia nominal a(s) descripción interna del sistema. Ésta suministra información que podría no aparecer en la descripción externa.

2.10.

Análisis matricial de las realizaciones

2.10.1.

Observabilidad de estados

Considere un sistema escalar (SISO) descrito por las ecuaciones de estado y de salida: x_ = Ax (t) +Bu (t) ; t y (t) = Cx (t) ; x (0) = x0

0

(2.129) (2.130)

Si se supone que se conocen fA; B; Cg y las funciones de entrada y de salida fu (t) ; t 0g, fy (t) ; t 0g, se plantea el problema de determinar (observar) los estados fx (t) ; t 0g.

2.10 Análisis matricial de las realizaciones

65

En muchos problemas de naturaleza teórica y también en el diseño práctico de instrumentación y control de sistemas, es de gran interés saber si es posible obtener toda la información sobre el estado del sistema por medición de la salida. De (2.130): (2.131) (2.132)

y (t)=Cx (t) y_ (t)=Cx_ (t) = CAx (t) +CBu (t)

y• (t) = CAx_ (t) +CBu_ (t) = CA2 x (t) + CABu (t) + CBu_ (t) (2.133) .. . y (n

1)

(t) = CA(n

1)

x (t) + CA(n

2)

+ CBu(n

Bu (t) +

2)

(t)

(2.134)

Reescribiendo en forma matricial (2.131) a (2.134), se obtiene: y (t) = Ox (t) + Tu (t) en donde: 2

3

2

C CA CA2 .. .

(2.135) 3

y (t) 6 7 6 y_ (t) 7 6 7 6 6 7 7 y (t) = 6 7 7 ; O , O (C; A) = 6 .. 6 7 4 5 . 5 4 (n 1) y (t) (n 1) CA 2 0 0 0 2 3 6 .. .. u (t) . . 0 6 CB 6 u_ (t) 7 6 6 7 . . .. .. u (t) = 6 7; T =6 .. CB 6 CAB 4 5 . 6 .. .. .. 4 . 0 . . u(n 1) (t) (n 2) (n 3) CA B CA B CB

(2.136)

3 0 7 07 .. 7 .7 7 7 05 0 n n (2.137)

Si se supone que u (0 ) = 0 y se evalúa (2.135) en t = 0 se obtiene y (0 ) = Ox (0 )

(2.138)

De (2.138) se concluye que dadas las condiciones iniciales y (0 ), y_ (0 ), . . . , y (n 1) (0 ), para obtener el estado inicial x (0 ), es necesario que la matriz O (C; A), llamada matriz de observabilidad, sea no singular, es decir det O = 6 0.

66

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

De…nición 2.2 Los estados de un sistema pueden ser observados desde la salida si y solo si la matriz de observabilidad O (C; A) es no singular. En este caso se dice que el sistema es observable. Así, no todas las realizaciones son observables. Depende totalmente del par fC; Ag. Sin embargo, las dos realizaciones llamadas Observador (Observer) y Observable (Observability) tienen un signi…cado particular aqui: ellas son siempre garantizadas observables. Se puede encontrar que: OOb = O (COb ; AOb ) = In 2

OO 1

6 6 = OO 1 (CO ; AO ) = 6 4

n

1

0

a1 .. .

1 .. .

an

2.10.2.

1

3 0 . . . .. 7 .7 7 .. . 05 a1 1

(2.139)

(2.140)

Controlabilidad de estados

Considere un sistema descrito por fA; B; Cg, donde la matriz de controlabilidad está dada por An 1 B

C = C (A; B) = B AB A2 B

De…nición 2.3 Un sistema es controlable, si dados fA; B; Cg es posible encontrar una variante de control u (t) de modo que el estado energético inicial x (t0 ) pueda ser llevado a un estado …nal deseado x (tf ), en un tiempo …nito (tf t0 ). Un sistema fA; B; Cg es controlable por u si la matriz de controlabilidad C es no singular. Se puede veri…car que las realizaciones Controlador (Controller) y Controlable (Controlability) son siempre controlables ya que CCo = In n 2 1 6 60 CC 1 = 6 . 4 .. 0

a1 1 .. .

3

an 1 .. 7 . . 7 7 .. . a1 5

..

0

1

(2.141)

(2.142)

2.10 Análisis matricial de las realizaciones

67

Nótese la siguiente implicación de dualidad: una realización fA; B; Cg es observable (controlable) si y solo si la realización dual AT ; CT ; BT es controlable (observable). Controlabilidad involucra entradas y estados, mientras que observabilidad involucra salidas y estados. Ejemplo 2.9 Para un sistema con matrices A, B, y C, de la forma: 2 0 1 0 60 0 1 A =6 40 0 0 0 0 5

modelo de espacio de estados con 3 2 3 0 0 617 07 7;B =6 7 405 15 0 2

La matriz de controlabilidad puede ser calculada como 2 0 1 6 1 0 C (A; B) = B AB A2 B A3 B = 6 40 2 2 0

Como det C =

84 se dice que el sistema es controlable.

3 0 2 2 07 7 0 105 10 0

Ejemplo 2.10 Considere un modelo de espacio de estados con matrices A, B, y C, de la forma: A=

1 0 ;B = 1 1

2 ;C = 0 1 1

Las matrices de controlabilidad C y de observabilidad O se pueden calcular como C =

2

O = 4

2 1 0 0 1

1 0 1 1

2 1

=

3 1 0 1 1 0 5= 1 1 1 1

2 1

2 1

Como det C = 0 y det O = 1 entonces se dice que el sistema descrito por las matrices A, B, y C es observable pero no controlable.

68

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Ejemplo 2.11 Considere un modelo de espacio de estados con matrices A, B, y C, de la forma: A=

1 2

0 1 ;B = ;C = 1 1 1 0

Las matrices de controlabilidad C y de observabilidad O se pueden calcular como C =

2

O = 4

2 1

1 2

1 1 1

0 1 1

1 2

3

1 0

0 5= 1

= 1 1

1 0

1 2 1 1

Como det C = 2 y det O = 0 entonces se dice que el sistema descrito por las matrices A, B, y C es controlable pero no observable.

2.11.

Realización mínima

Una realización fA; B; Cg es mínima, es decir, es realizada con el más pequeño número posible de integradores (el más pequeño número de variables de estado) si y solo si fA; Bg es controlable y fC; Ag es observable. También una realización es mínima si y solo si a (s) = det (sI A) y b (s) = C [adj (sI A)] B son primos relativos (coprimos), es decir, no tienen factores comunes (excepto por constantes). b(s) es irreducible si y solo si todas las Una función de transferencia H (s) = a(s) realizaciones de orden n (donde n es el grado de a (s)), son controlables y observables. Si la realización de un sistema está en la forma diagonal, con valores propios diferentes, fácilmente se nota que para que el sistema sea completamente controlable (observable) por u (y), todos los elementos de la matriz BD (CD ) debe ser diferentes de cero. Una matriz de transformación T que permite diagonalizar un sistema fA; B; Cg se puede obtener formando sus columnas con los vectores propios de la matriz A. En general para realizaciones diagonales, un sistema se puede descomponer como se muestra en la …gura 2.16. Para realizaciones no diagonales, pueden haber ciertas formas de realimentación de las variables de estado entre los bloques, como se muestra con las líneas discontinuas de la …gura 2.16.

2.12 Vectores característicos generalizados

69

Figura 2.16: Descomposición de un sistema

2.12.

Vectores característicos generalizados

Si A tiene valores característicos de orden múltiple y no es simétrica, no todos los vectores característicos se pueden encontrar de la ecuación ( i I A) pi = 0. Si j es un valor característico de multiplicidad m entonces los vectores característicos generalizados se pueden obtener de las m ecuaciones vectoriales siguientes: ( jI ( jI ( jI

2.13.

A) p1 = 0 A) p2 = p2 .. . A) pm = pm

1

Forma canónica de Jordan

En general, cuando A tiene valores característicos de orden múltiple, a menos que la matriz sea simétrica con elementos reales, no se puede transformar en una matriz diagonal. Sin embargo, existe una matriz de transformación de ^ = T 1 AT es casi diagonal. La matriz A ^ se conoce similitud T, tal que A como forma canónica de Jordan.

70

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Una forma canónica de Jordan típica es: 2 1 0 1 60 1 1 6 6 ^ A =6 0 0 1 40 0 0 0 0 0

0 0 0 2

0

3 0 07 7 07 7 05 3

en donde se supone que A tiene un valor característico de tercer orden 1 , y valores carcaterísticos distintos 2 y 3 . Para realizar la transformación a la forma canónica de Jordan, la matriz de transformación T se forma empleando los vectores característicos y los vectores característicos generalizados como sus columnas. Es importante mencionar dos cosas: a. La controlabilidad en sistemas de múltiple entrada generalmente no requiere que el sistema sea controlable por cada entrada actuando sola; el sistema es controlable si todas las entradas actuando juntas pueden transferir el estado x (t0 ) al estado x (tf ). La prueba de controlabilidad en este caso es que la matriz C (A; B) tenga rango total. b. Para sistemas de múltiple salida el criterio algebraico para observabilidad es que el rango de O (C; A) sea igual a n (número de variables de estado).

2.14.

Cálculo de la matriz de Transformación para algunas formas canónicas

Considere un sistema descrito por fA; B; Cg, donde la matriz de controlabilidad está dada por C = C (A; B) = B AB A2 B

An 1 B

y considere la ecuación (2.66) donde se introducen nuevas coordenadas mediante una matriz de transformación T tal que ^ = TAT 1 ; B ^ = TB; C ^ = CT 1 . De esta forma, la matriz de A controlabilidad del sistema transformado CT está dada por

2.14 Cálculo de la matriz de Transformación para algunas formas canónicas71

CT =

^ A ^B ^ A ^ 2B ^ B

CT =

TB TAB TA2 B

CT =

TB TAT

1

^ n 1B ^ A

TB TAT

1

TAT

1

TB

TAn 1 T

1

TB

TAn 1 B An 1 B

CT = T B AB A2 B CT = TC

de donde se obtiene que T = CT C

1

(2.143)

y donde C es la matriz de controlabilidad del sistema original. La (2.143) corresponde a la matriz de transformación para la forma canónica controller, y por lo tanto CT corresponde a la matriz de controlabilidad de la forma canónica controller. Puesto que de la ecuación (2.96) los polinomios característicos del sistema original, y del sistema transformado son iguales, es posible calcular la matriz de controlabilidad del sistema transformado a la forma canónica controller CT como 3 2 1 a1 a2 an 1 .. 7 6 ... 60 1 a1 . 7 7 6. . 1 . . . . a2 7 .. (2.144) CT = 6 7 6 .. . . 7 6. ... 4 .. 1 a1 5 0 0 1

De manera similar es posible obtener la matriz de transformación correspondiente para la forma canónica observer, considerando la matriz de observabilidad del sistema transformado OT como 3 2 2 3 2 3 ^ C C CT 1 6 C ^ 7 6 7 6 ^A 7 6 CT 1 TAT 1 7 7 6 CA 7 6 ^ ^2 7 6 2 7 1 2 1 7 6 7=6 OT = 6 6 CT TA T 7 = 6 CA 7 T 1 = OT 1 7 6 CA 7 6 .. 7 .. 6 .. 7 6 5 4 . 5 . 4 . 5 4 1 n 1 1 n 1 CAn 1 CT TA T ^A ^ C de donde se obtiene que

T

1

= O 1 OT

(2.145)

72

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

y donde O es la matriz de observabilidad del sistema original y OT es la matriz de observabilidad del sistema en la forma canónica observer, la cual puede ser calculada a partir del polinomio característico del sistema original como 2 3 1 0 0 0 6 . . . .. 7 6 a1 1 0 .7 6 7 1 . . . . . . 07 OT = 6 (2.146) a1 6 a2 7 6 . 7 ... ... 4 .. 1 05 an 1 a2 a1 1 Ejemplo 2.12 Encuentre las matrices de transformación para las formas canónicas controller y observer para sistema descrito por las ecuaciones de estado 2 3 2 3 0 1 0 0 0 6 20:601 0 0 07 6 17 7x + 6 7u x_ = 6 4 405 0 0 0 15 0:4905 0 0 0 0:5 y =

0 0 1 0 x

Se calcula el polinomio característico para el sistema det (sI

A) = s4

20:601s2

y se calcula la matriz de controlabilidad para la forma canónica controller de acuerdo a la ecuación (2.144) de la forma 2 3 1 0 20:601 0 60 1 0 20:6017 7 CT 1 = 6 40 0 5 1 0 0 0 0 1 Se calcula la matriz de controlabilidad del sistema original 2 3 0 1 0 20:601 6 1 0 7 20:601 0 7 C = B AB A2 B A3 B = 6 4 0 0:5 0 0:4905 5 0:5 0 0:4905 0

2.14 Cálculo de la matriz de Transformación para algunas formas canónicas73 y se calcula la matriz de transformación para la forma canónica controller de acuerdo a la ecuación (2.143) de la forma 2 3 0 1 0 0 6 7 1 0 0 0 7 T = CT C 1 = 6 4 0 0:051 0 0:10195 0:051 0 0:1019 0

y al aplicar la matriz de transformación sobre el sistema fA; B; Cg se obtiene el sistema en la forma canónica controller 2 3 0 20:6010 0 0 61 0 0 07 7 Ac = TAT 1 = 6 40 1 0 05 0 0 1 0 2 3 1 607 1 7 9:81 Bc = TB = 6 405 ; Cc = CT = 0 0:5 0 0 De manera similar para la forma canónica observer se calcula la matriz de observabilidad de acuerdo a la ecuación (2.146) 2 3 1 0 0 0 6 0 1 0 07 7 OT 1 = 6 4 20:601 0 1 05 0 20:601 0 1

Se calcula la matriz de observabilidad del sistema original 2 3 2 3 C 0 0 1 0 6 CA 7 6 0 0 0 17 7 6 7 O =6 4CA2 5 = 4 0:4905 0 0 05 0 0:4905 0 0 CA3

y se calcula la matriz de trasformación para la forma canónica observer como T 1 = O 1 OT obteniendo 2 3 0 0 1 0 6 7 0 0 0 1 7 T =6 4 0:4905 5 0 20:601 0 0 0:4905 0 20:601

74

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Finalmente, al aplicar la matriz de transformación sobre el sistema fA; B; Cg se obtiene el sistema en la forma canónica observer 2 3 0 1 0 0 620:601 0 1 07 7 Ao = TAT 1 = 6 4 0 0 0 15 0 0 0 0 2 3 0 6 0:5 7 1 7 Bo = TB = 6 4 0 5 ; Co = CT = 1 0 0 0 9:81

2.15.

Ejercicios propuestos

Ejercicio 2.1 Para el sistema mecánico traslacional de la …gura 2.17 obtener un circuito eléctrico análogo usando la analogía fuerza-torque-corriente y plantear un modelo de espacio de estados, en donde la salida sea la velocidad de la masa M con el sentido indicado, resultante de aplicar las fuerzas u (t) y n (t) con los sentidos mostrados.

Figura 2.17: Sistema mecánico traslacional ejercicio 2.1

Ejercicio 2.2 Para el sistema mecánico rotacional de la …gura 2.18 plantear un modelo matemático que lo describa completamente, utilizando un circuito eléctrico análogo que use la analogía fuerza-torque-corriente. T (t) es un

2.15 Ejercicios propuestos

75

torque de externo (entrada) y (t) es el desplazamiento angular de la inercia J1 (salida).

Figura 2.18: Sistema mecánico de rotación ejercicio 2.2

Ejercicio 2.3 Encontrar la ecuación diferencial, la ecuación de estado y la ecuación de salida, y la función de transferencia para el sistema mecánico traslacional de la …gura 2.19. Con u (t) (fuerza) la entrada y y (t) (desplazamiento) la salida.

Figura 2.19: Sistema mecánico traslacional ejercicio 2.3

Ejercicio 2.4 Describir el comportamiento del circuito eléctrico de la …gura 2.20 mediante variables de estado. Hallar las matrices A, B, C y D y la matriz de trasferencia. Ejercicio 2.5 Describir el comportamiento del circuito eléctrico de la …gura 2.21 mediante variables de estado. Hallar las matrices A, B, C y D y la matriz de trasferencia. Considere R = 2 , C1 = 1F , C2 = 0:5F , L1 = M1 = 1H, y L2 = 2H.

76

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Figura 2.20: Circuito eléctrico del ejercicio 2.4

Figura 2.21: Circuito eléctrico ejercicio 2.5

Ejercicio 2.6 Para el sistema mecánico traslacional de la …gura 2.22 plantear las ecuaciones de estado y de salida. Ejercicio 2.7 Plantear un modelo matemático que describa completamente el comportamiento del sistema mecánico rotacional de la …gura 2.23. Ejercicio 2.8 Un análogo simple del cuerpo humano para estudios de vibración se considera como una interconexión de masas, resortes y amortiguadores como se muestra en la …gura 2.24 Plantear un conjunto de ecuaciones linealmente independiente que lo describa completamente. Ejercicio 2.9 Considere el sistema de la …gura 2.25 que corresponde a un cuerpo rígido que tiene un pivote o en su centro de masa, alrededor del cual puede girar con un momento de inercia I y un coe…ciente de fricción viscosa B2 . Para pequeños desplazamientos, obtener un circuito eléctrico análogo usando la analogía fuerza torque corriente y plantear las ecuaciones de estado y de salida, considerando como salida la velocidad angular ! del cuerpo rígido y como entrada la velocidad u (t) aplicada en el extremo del resorte.

2.15 Ejercicios propuestos

77

Figura 2.22: Sistema mecánico ejercicio 2.6

Figura 2.23: Sistema mecánico rotacional ejercicio 2.7

Ejercicio 2.10 Sea el sistema no lineal 1 x22 = x1 u (t)

x_ 1 =

(2.147)

x_ 2

(2.148)

Su trayectoria nominal [x01 (t) ; x02 (t)] es la solución a las ecuaciones (2.147) y (2.148) con x1 (0) = x2 (0) = 1 y u = 0. Demostrar que la ecuación de estado linealizada alrededor de esta trayectoria nominal del sistema descrito por las ecuaciones (2.147) y (2.148) es: x_ 1 0 2 = x_ 2 0 0

x1 0 + x2 1 t

u

(2.149)

Nótese que (2.149) contiene un coe…ciente variable con el tiempo. Ejercicio 2.11 La …gura 2.26 muestra el diagrama esquemático del sistema de control de una bola en suspensión. La bola de acero se suspende en el

78

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Figura 2.24: Sistema del ejercicio 2.8

aire por la fuerza electromagnética generada por el electroimán, la cual es directamente proporcional al cuadrado de la relación yi con constante de proporcionalidad K. El objetivo de control es mantener la bola de metal suspendida en la posición nominal de equilibrio controlando la corriente en el imán con el voltaje e (t). La resistencia de la bobina es R y la inductancia L , en donde L es una constante. es L (y) = y(t) a. Sea E el valor nominal de e (t). Encontrar los valores nominales de y (t), i (t) y dy(t) en equilibrio (punto de operación). dt b. De…nir las variables de estado como x1 = i, x2 = y, x3 = encontrar las ecuaciones de estado no lineales.

dy(t) dt

y

c. Linealizar las ecuaciones de estado anteriores alrededor del punto de equilibrio. Ejercicio 2.12 La …gura 2.27 muestra un sistema hidráulico con dos amortiguadores, uno de los cuales está …jo. Encontrar la función de transferencia H (s) que relaciona la entrada Y (s) (desplazamiento) con la salida Z (s) (desplazamiento). Suponga que los dos amortiguadores del sistema son idénticos.

2.15 Ejercicios propuestos

79

Figura 2.25: Sistema mecánico del ejercicio 2.9

Ejercicio 2.13 La …gura 2.28 muestra un sistema hidráulico que incluye un servomotor, un amortiguador y una palanca, que corresponde a un modelo simpli…cado de un control de elevación de un avión. Calcular la función de transferencia del sistema que relacione el desplazamiento de entrada E (s) con el desplazamiento de salida Y (s). Ejercicio 2.14 En el sistema de nivel de líquido de la …gura 2.29, A = 15m, p H B = 10m, H = 25m y q = 2 en el sistema MKS. a. Hallar la ecuación diferencial no lineal que relaciona h con u (t). b. Linealizar la anterior ecuación alrededor del punto de operación, m3 suponiendo que en este u (t)jP0 = U0 = 2 seg y h (t)jP0 = H0 = 16m. Ejercicio 2.15 Plantear un conjunto de ecuaciones de estado que describa el comportamiento del sistema del péndulo de la …gura. Supóngase que cuando el péndulo está vertical, no hay fuerza del resorte; también que es pequeño. El momento de inercia de m con respecto al punto A es ml2 .

80

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Figura 2.26: Sistema del ejercicio 2.11

Figura 2.27: Sistema hidráulico del ejercicio 2.12

Ejercicio 2.16 Sobre un carro de masa M hay dos péndulos invertidos de longitudes l1 y l2 y con masas en sus extremos del mismo valor e igual m, como se muestra en la …gura 2.31. Para valores pequeños de 1 y 2 , demostrar que las ecuaciones de movimiento son:

m v_

M v_ = mg 1 + mg 2 + u li •i = mg i ; i = 1; 2

en donde v es la velocidad del carro y u es una fuerza externa aplicada al mismo.

Ejercicio 2.17 La …gura 2.32 muestra la fase de aterrizaje de un módulo lunar descendiendo sobre la luna. Se supone que la fuerza generada por los motores es proporcional a m, _ en donde m es la masa del módulo. La variable

2.15 Ejercicios propuestos

81

Figura 2.28: Sistema hidráulico ejercicio 2.13

de control es u = K m, _ y la constante de gravedad en la luna estaría dada por g. Encontrar un conjunto de ecuaciones de estado no lineal y linealizarlo alrededor del punto de operación: yjP0 = Y0 =constante, yj _ P0 = y•jP0 = 0, mjP0 = M0 . Ejercicio 2.18 Encuentre las realizaciones controller y observer para los siguientes sistemas, escríbalas en forma matricial y dibuje el diagrama de bloques. a. H (s) =

5(s+2) s2 (s+3)(s+2)

b. H (s) =

10(s+1) s(s+3)(s+2)

c. H (s) =

10 s3 +10s2 +5s+10

Ejercicio 2.19 La función de transferencia de un sistema está dada por s+a H (s) = 3 s + 7s2 + 14s + 8 Determine los valores de a para los cuales el sistema no es controlable Ejercicio 2.20 Considere un sistema descrito por la ecuación de estado x=Ax _ (t) +Bu (t) donde A=

0 1 1 ;B = 1 a b

82

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Figura 2.29: Tanque del ejercicio 2.14

encuentre la región en un plano a vs b tal que el sistema sea completamente controlable. Ejercicio 2.21 Determine las condiciones para b1 ; b2 ; d1 y d2 tal que el siguiente sistema sea completamente controlable y observable. x_ = y (t) =

1 1 b x + 1 u (t) b2 0 1 d1 d2 x

Ejercicio 2.22 El péndulo invertido doble mostrado en la …gura 2.33 puede ser aproximado por el siguiente modelo lineal 2_ 3 1

2

6•1 7 6 6 7 6 6 _ 27 6 6 7=6 6• 7 6 6 27 6 4 y_ 5 4 y•

0 16 0 16 0 0

1 0 0 0 0 8 0 0 0 0 1 0 0 16 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Determine la controlabilidad del sistema.

32 3 2 0 1 6 _ 17 6 07 76 7 6 6 7 6 07 7 6 27 + 6 6_ 7 6 07 7 6 27 6 5 1 4y5 4 0 y_

3 0 17 7 07 7 u (t) 07 7 05 1

2.15 Ejercicios propuestos

Figura 2.30: Péndulo ejercicio 2.15

Figura 2.31: Sistema del ejercicio 2.16

83

84

Análisis de sistemas lineales dinámicos mediante variables de estado

Figura 2.32: Sistema físico ejercicio 2.17

Figura 2.33: Péndulo invertido doble ejercicio 2.22

Capítulo 3 Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control En el problema de análisis de sistemas de control en el dominio del tiempo, una señal de referencia se aplica al sistema y el desarrollo de éste se evalúa estudiando su respuesta en el dominio del tiempo. La respuesta temporal y (t) de un sistema generalmente se divide en dos partes: la respuesta transitoria yt (t) y la de estado estacionario o régimen permanente yss (t). Es decir: y (t) = yt (t) + yss (t)

(3.1)

El objetivo de este capítulo es analizar la respuesta de un sistema en el tiempo, al aplicar diferentes señales de referencia. Para esto en necesario tener una idea básica de la estabilidad de un sistema. Se puede decir de manera general, que un sistema es estable si las raíces del polinomio característico o b(s) tienen denominador de la función de transferencia del sistema H (s) = a(s) parte real negativa. Lo cual signi…ca que los valores de s que satisfacen la ecuación característica a(s) = 0, esto es, las raices de a (s), deben estar ubicadas en el semiplano complejo izquierdo. Asi, el término yt (t) en la ecuación (3.1) corresponde a la parte de la respuesta que tiene a cero (para sistemas estables) cuando t se hace muy grande (t ! 1). Entonces l m yt (t) = 0

t!1

(3.2)

La respuesta de estado estacionario yss (t) es aquella parte de la respuesta total que permanece después de que el transitorio ha desaparecido. Debido 85

86

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

a que los sistemas de control contienen elementos que almacenan energía (inercia, masa, resorte, inductancia, condensador, etc.), todos ellos presentan transitorios en su respuesta y (t) cuando son sometidos a una señal de referencia. Es decir, las respuestas típicas de un sistema de control no pueden seguir cambios instantáneos en la entrada y por lo tanto se presentan los transitorios. Así, el control de la respuesta transitoria es importante ya que es parte signi…cativa del comportamiento dinámico del sistema, y las desviación entre la salida (respuesta) y la entrada (señal de referencia o respuesta deseada) debe ser cercanamente observada antes de que se alcance el estado estacionario. La respuesta de estado estacionario también es importante, ya que cuando se compara con la referencia da una indicación de la ganancia del sistema, o de la precisión …nal del sistema. Si no son iguales, se dice que el sistema tiene un error de estado estacionario. En el problema de diseño de controladores, generalmente se dan las especi…caciones en términos de la respuesta transitoria y de la respuesta de estado estacionario.

3.1.

Señales de prueba para la respuesta temporal de sistemas de control

A veces las entradas a muchos sistemas no se conocen y podrían variar aleatoriamente en el tiempo. Así, surge el difícil problema de diseñar un sistema de control que se comporte satisfactoriamente para todas las posibles señales de entrada. Para propósitos de análisis y diseño se consideran algunos tipos básicos de señales de prueba de modo que se pueda evaluar el desarrollo del sistema. Seleccionando estas señales de prueba adecuadamente, no sólo se sitematiza el tratamiento matemático del problema, sino que las respuestas debidas a estas entradas permiten predecir el comportamiento del sistema a otras entradas más complejas. Cuando la respuesta del sistema lineal e invariante con el tiempo se analiza en el dominio de la frecuencia, se usa una entrada sinusoidal con frecuencia variable. Esto permite obtener características del sistema en términos de la relación de amplitudes y fase entre la entrada y la salida las cuales se gra…can como funcione de frecuencia. Es posible predecir el comportamiento en el domino del tiempo del sistema, a partir de sus características en el dominio de la frecuencia. Para facilitar el análisis en el dominio del tiempo, se usan las siguientes

3.2 Comportamiento en el dominio del tiempo de sistemas de control análogo87 señales de prueba determinísitcas: 1. Señal impulso: r (t) =

(t) ; t = 0 0; t 0

(3.3)

R; t 0 0; t < 0

(3.4)

2. Señal escalón: r (t) = o r (t) = R en donde R es una constante real y

s

(t)

s

(3.5)

(t) es la función escalón unitario.

3. Señal rampa: r (t) = Rt

s

(t)

(3.6)

r (t) = Rt2

s

(t)

(3.7)

4. Señal parabólica: La función de transferencia y la respuesta impulsiva (respuesta ante un impuso unitario) de un sistema lineal invariante en el tiempo contienen la misma información sobre la dinámica del sistema. En la práctica se puede considerar como un impulso, a un pulso de entrada con muy corta duración en comparación con las constantes signi…cativas del sistema. La función escalón es muy útil como señal de prueba ya que su cambio inicial instantáneo es amplitud revela que tan rápido responde el sistema a entradas con cambios abruptos. Además como ella contiene en principio una amplia gama de frecuencias en su espectro, como resultado de la discontinuidad, es equivalente a la aplicación de numerosas señales sinusoidales con un amplio rango de frecuencias. Además, si se conoce la respuesta de un sistema lineal a la función escalón s (t), fácilmente obtenible en práctica, la respuesta impulsiva se puede obtener derivando la respuesta al escalón.

3.2. 3.2.1.

Comportamiento en el dominio del tiempo de sistemas de control análogo Error de estado estacionario

El error de estado estacionario es una medida de la ganancia o de la precisión del sistema cuando un tipo especí…co de entrada o señal de prueba se aplica

88

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

al sistema de control y el objetivo del sistema es que la respuesta siga esta entrada precisamente. En el diseño uno de los objetivos es mantener el error en un mínimo, o por debajo de cierto valor tolerable. En general, los errores de estado estacionario de sistemas de control lineal dependen de los tipos de entrada y del sistema. Si en un sistema la entrada de referencia r (t) y la salida controlada y (t) tienen la misma dimensión, el error se de…ne como e (t) = r (t)

(3.8)

y (t)

Algunas veces es imposible o inadecuado suministrar una entrada de referencia que este al mismo nivel o de la misma dimensión que la variable controlada. Bajo estas condiciones, la señal de error no se puede de…nir simplemente como la diferencia entre la entrada de referencia y la salida controlada como en la ecuación 3.8. Las señales de entrada y de salida deben ser de la misma dimensión y estar al mismo nivel antes de ser comparadas. Por eso, un elemento con función de transferencia G (s) se debe incorporar en la trayectoria de realimentación como se muestra en la …gura 3.1

Figura 3.1: Sistema de control con realimentación no unitaria El error de este sistema de control con realimentación no unitaria se de…ne como: e (t) = r (t) b (t) o E (s) = R (s)

B (s) = R (s)

G (s) Y (s)

El error de estado estacionario se de…ne como ess = l m e (t) t!1

(3.9)

3.3 Tipos de sistemas de control

89

De la …gura 3.1 E (s) =

1 R (s) 1 + H (s) G (s)

(3.10)

Si se utiliza el teorema de valor …nal de la transformada de Laplace, el error de estado estacionario del sistema es (3.11)

ess = l m e (t) = l m sE (s) t!1

s!0

en donde sE (s) no debe tener polos sobre el eje imaginario ni en el semiplano complejo derecho. Reemplazando (3.10) en 3.11 se tiene sR (s) s!0 1 + H (s) G (s)

(3.12)

ess = l m

la cual muestra que el error de estado estacionario depende de la entrada de referencia R (s) y de la función de transferencia en lazo abierto H (s) G (s). Cabe señalar que aunque la función de error se de…ne con referencia a la con…guración del sistema mostrado en la …gura 3.1, en general, la señal en cualquier punto en un sistema puede ser referida como un error. Por ejemplo, cuando un sistema es sujeto a una perturbación de entrada, entonces la salida debida a ella actuando sola se puede considerar como un error.

3.3.

Tipos de sistemas de control

Supóngase que para la …gura 3.1: H (s) G (s) =

K (1 + T1 s) (1 + T2 s) sJ (1 + Ta s) (1 + Tb s)

(1 + Tm s) e (1 + Tn s)

Td s

(3.13)

El tipo del sistema en lazo cerrado se re…ere al orden del polo de H (s) G (s) es s = 0. Así, el sistema en lazo cerrado que tiene la función de transferencia en lazo abierto de 3.13 es tipo J, en donde J = 0; 1; 2; : : :. Se investigará los efectos de los tipos de entradas escalón, rampa y parabólica en el error de estado estacionario.

90

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

3.4.

Error de estado estacionario de sistemas con una entrada escalón

Cuando r (t) = R (3.12):

s

(t) entonces R (s) =

R s

y por lo tanto reemplazando en

R R = s!0 1 + H (s) G (s) 1 + Kp

ess = l m

(3.14)

con Kp = l m H (s) G (s) s!0

(3.15)

en donde Kp es la constante de error al escalón. Un típico ess debido a un

Figura 3.2: Típico error de estado estacionario debido a una entrada escalón escalón unitario cuando Kp es …nito se muestra en la …gura 3.2. Nótese que para que ess sea cero, cuando la entrada es un escalón, Kp debe ser in…nito. Si H (s) G (s) es descrita por la ecuación (3.13) se ve que para que Kp sea in…nito, J debe ser al menos igual a la unidad; es decir, H (s) G (s) debe tener al menos un integrador puro. Así, se puede resumir el error de estado estacionario debido a una entrada escalón como: - Sistemas tipo 0: ess =

R = cte 1 + Kp

- Sistemas tipo 1 o mayor: ess = 0

(3.16)

3.5 Error de estado estacionario de sistemas con una entrada rampa

3.5.

91

Error de estado estacionario de sistemas con una entrada rampa

Cuando r (t) = Rt

s

(t) entonces R (s) =

R s2

y (3.12) se convierte en:

R R = s!0 s + sH (s) G (s) Kv

ess = l m

(3.17)

con Kv = l m s (1 + H (s) G (s)) s!0

(3.18)

en donde Kv es la constante de error a la rampa. Entonces 3.17 es el error de estado estacionario cuando la entrada es un rampa. En la …gura 3.3 se presenta el caso cuando Kv es …nito y diferente de cero. De (3.17) se tiene que

Figura 3.3: Típico error de estado estacionario debido a una entrada rampa

para que ess sea cero cuando la entrada es una rampa Kv debe ser in…nito. Utilizando (3.13) y (3.18) se obtiene: Kv = l m s (1 + H (s) G (s)) = s!0

K sJ 1

;

J = 0; 1; 2; : : :

(3.19)

Por lo tanto, para que Kv sea in…nito, J 2, es decir el sistema debe ser del tipo 2 o mayor. Se pueden establecer entonces las siguientes conclusiones del error de estado estacionario de un sistema con entrada rampa: - Sistemas tipo 0: ess = 1

92

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control - Sistemas tipo 1: ess =

R Kv

- Sistemas tipo 2 o mayor: ess = 0

3.6.

Error de estado estacionario de sistemas con una entrada parabólica

Cuando r (t) = Rt2

s

(t) entonces R (s) =

ess = l m

s!0

s2

+

R s3

y (3.12) es ahora:

R R = (s) G (s) Ka

s2 H

(3.20)

con Ka = l m s2 (1 + H (s) G (s)) s!0

(3.21)

en donde Ka es la constante de error a la parábola. Entonces 3.20 es el error de estado estacionario cuando la entrada es un rampa. En la …gura 3.3 se presenta el caso cuando Ka es …nito y diferente de cero.Las siguientes

Figura 3.4: Típico error de estado estacionario debido a una entrada parabólica

3.7 Respuesta al escalón unitario y especi…caciones en el dominio del tiempo93 conclusiones se obtienen con respecto al error de estado estacionario de un sistema con entrada parabólica: - Sistemas tipo 0 o 1: ess = 1 - Sistemas tipo 2: ess =

R Ka

- Sistemas tipo 3 o mayor: ess = 0 Usando el método descrito se puede derivar el error en estado estacionario de cualquier sistema lineal sujeto a una entrada con más alto orden que la de la función rampa.

3.7.

Respuesta al escalón unitario y especi…caciones en el dominio del tiempo

Como se de…nió antes, la respuesta transitoria es aquella parte que tiende a cero en la medida que t crece. Sin ambargo, la respuesta transitoria de un sistema de control es importante, ya que su amplitud y duración en el tiempo se debne matener dentro de los límites de tolerancia prescritos. En sistemas de control lineal, la caracterización de la respuesta transitoria se hace a menudo usando como entrada un escalón unitario y suponiendo condiciones iniciales nulas. La …gura 3.5 muestra una respuesta típica al escalón unitario de un sistema de control lineal. Con referencia a ella, los criterios de desarrollo usados comunmente para la caracterización de sistemas de control lineal en el dominio del tiempo se de…nende la siguiente manera: 1. Máximo sobrepaso (Mp ). Si y (t) es la respuesta al escalón unitario, ymax su máximo valor y yss el valor en estado estacionario con ymax yss , entonces se de…ne Mp = ymax yss (3.22) o máximo sobrepaso en porcentaje Mp =

ymax yss yss

(3.23)

94

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

Figura 3.5: Respuesta típica al escalón unitario de un sistema de control

El máximo sobrepaso se usa a menudo como una medida de la estabilidad relativa de un sistema de control. Grandes sobrepasos generalmente son indeseables, y para propósitos de diseño a menudo se da el máximo sobrepaso como una especi…cación en el dominio del tiempo, de…niendo tp como el tiempo en el que ocurre el máximo sobrepaso. 2. Tiempo de retardo (td ): Es el tiempo requerido para que la respuesta al escalón unitario y (t) alcance por primera vez el 50 % de su valor …nal. 3. Tiempo de crecimiento (tr ): Es el tiempo requerido para que la respuesta al escalón unitario y (t) crezca del 10 al 90 %, del 5 al 95 % o del 0 al 100 % de su valor …nal. Generalmente por simplicidad se toma como el tiempo requerido para que y (t) crezca del 0 al 100 % de su vaalor …nal. 4. Tiempo de establecimiento (ts ): Es el tiempo requerido para que la respuesta al escalón unitario alcance y se mantenga dentro de determinado rango alrededor del valor …nal. Este rango generalmente se especi…ca en porcentaje absoluto del valor …nal (habitualmente 5 % ó 2 %). El tiempo de establecimiento se relaciona con la constante de tiempo más grande del sistema. El criterio para la …jación del porcentaje de error a usar depende de los objetivos del diseño del

3.8 Sistemas de primer orden

95

sistema en cuestión. Nótese que si se especi…can td , tr , ts , tp y Mp , virtualmente queda determinada la forma de la respuesta. Estas especi…caciones en el dominio del tiempo son relativamente fáciles de medir cuando la respuesta al escalón unitario está bien de…nida como se muestra en la …gura 3.5. analíticamente, estas cantidades son difíciles de establecer, excepto para sistemas de orden inferior a tres.

3.8.

Sistemas de primer orden

Considere el sistema de la …gura 3.6 con entrada R (s) y salida Y (s) con función de transferencia en lazo abierto del sistema HLA (s) está dada por Hl

a

(s) =

Y (s) 1 = E (s) Ts

(3.24)

en donde T es una constante real (constante de tiempo). La función de transferencia en lazo cerrado Hl c (s) es: Hl

c

(s) =

1 Y (s) = R (s) 1 + Ts

(3.25)

donde el polinomio característico es d (s) = 1 + T s, de forma que tiene un solo polo en s = T1 :

Figura 3.6: Sistema prototipo de primer orden Para una entrada escalón unitario R (s) = 1s , la respuesta del sistema se obtiene tomando la transformada inversa de Laplace de: Y (s) =

1 1 + Ts

1 s

=

1 s

T Ts + 1

(3.26)

96

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

cuyo resultado es y (t) = 1

1

e T t;

t

(3.27)

0

Nótese que la constante de tiempo T , es aquel valor de tiempo para el cual la respuesta ha alcanzado el 63.2 % de su valor …nal. Nótese que entre más pequeña T , más rápida es la respuesta del sistema (el polo en s = T1 se aleja del eje imaginario en el semiplano complejo izquierdo). La característica de desarrollo más importante de observar es que si se admite una tolerancia del 2 %, el tiempo de establecimiento es aproximadamente igual a 4 constantes de tiempo (ver …gura 3.7). Adicionalmente, el sistema no tiene máximo sobrepaso.Una característica importante de la respuesta al escalón unitario

Figura 3.7: Respuesta al escalón unitario de un sistema de primer orden del sistema de primer orden es que la pendiente de y (t) en t = 0 es dy (t) dt

= t=0

1 e T

Si se traza una recta:

t T

= t=0

1 : T

1 T

K t T esta alcanzaría el valor …nal 1 en t = T segundos. Es decir, la salida alcanzaría el valor …nal en t = T si mantuviera su velocidad inicial de respuesta (ver …gura 3.7) La ganancia del sistema o la diferencia entre el valor de entrada r (t) y el valor de salida y (t) cuando t ! 1 (error de estado estacionario) puede ser calculada como ess = 1 l m y (t) = 1 1 = 0 (3.28) yp (t) =

t!1

3.9 Sistemas de segundo orden

97

Este también puede ser calculado aplicando el teorema de valor …nal ess = 1

l m sY (s) = 1

1=0

s!0

que es el mismo resultado (3.28). Si se usa como entrada al sistema de primer orden una rampa r (t) = t s (t), la respuesta con condiciones iniciales nulas, se obtiene R t integrando entre 0 y t la respuesta al escalón unitario, ya que t s (t) = 0 s ( ) d . Entonces: y (t) =

Z

t

1

e

d =t

T

T + Te

t T

(3.29)

0

El error e (t) estaría dado por h

e (t) = t

t

T + Te

e (t) = T 1

e

t T

t T

i

(3.30)

y en estado estacionario (3.31)

l m e (t) = T

t!1

Nótese que cuanto menor es la constante de tiempo T , menor es el error en estado estacionario. Como el impulso unitario es la derivada del escalón unitario, entonces la respuesta del sistema al impulso unitario es la derivada de la respuesta al escalón unitario dada por (3.27) asi: y (t) =

d dt

1

e

T

=

1 e T

t T

(3.32)

La respuesta al impulso corresponde únicamente a la respuesta natural del sistema, mientras que las respuestas al escalón unitario y a la rampa unitaria corresponden a la respuesta natural y a la respuesta forzada del sistema.

3.9.

Sistemas de segundo orden

El diagrama de bloques de la …gura 3.8 representa un sistema de control de segundo orden.

98

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

Figura 3.8: Sistema de control prototipo de segundo orden

La función de transferencia en lazo abierto del sistema es: Hl

a (s) =

Y (s) ! 2n = E (s) s(s + 2 ! n )

(3.33)

en donde y ! n son constantes reales. La función de transferencia de lazo cerrado del sistema es: HL

c

(s) =

Y (s) ! 2n = 2 R (s) s + 2 ! n s + ! 2n

(3.34)

La ecuación característica del sistema es: a (s) = s2 + 2 ! n s + ! 2n = 0

(3.35)

en donde

!n : :

frecuencia natural no amortiguada relación de amortiguamiento

Se obtendrán las diferentes respuestas al escalón unitario de acuerdo al valor de la relación de amortiguamiento. Las raices de (3.35) o polos del sistema son: s1;2 = s1;2 =

2 !n !n

p !n

4 2 ! 2n 2 q 2

4! 2n 1

(3.36)

3.9 Sistemas de segundo orden

3.9.1.

99

Caso subamortiguado

Considere el caso donde la relación de amortiguamiento está entre 0 < < 1. En este caso el término 2 1 de la ecuación (3.36) es negativo, y por tanto los polos de la ecuación características estarían dados por q 2 s1;2 = ! n j! n 1 = ! n j! d (3.37) p 2 donde ! d = ! n 1 y se conoce como frecuencia natural amorituguada. La ubicación correspondiente de los polos se muestra en la …gura 3.9de donde:

Figura 3.9: Ubicación de los polos para el caso subamortiguado (0 <

!n = !n q = 1 p 1 =

cos

=

sin tan ó: = cos

1

( ) = sin

1

q

< 1)

1

2

2

(3.38)

2

= tan

1

p 1

2

!

(3.39)

Si la entrada es un escalón unitario R (s) = 1s , se obtiene: Y (s) =

! 2n 1 K As + B = + 2 2 2 s + 2 !ns + !n s s s + 2 ! n s + ! 2n

(3.40)

100

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

donde K = 1, A = 1y B = 2 ! n , por lo que (3.40) se puede reescribir como s + 2 !n s + 2 !n 1 1 Y (s) = = p 2 s s2 + 2 ! n s + ! 2n s 2 (s + ! n )2 + ! n 1 1 s

s + !n (s + ! n )2 + (! d )2

1 s 1 Y (s) = s

s + !n (s + ! n )2 + (! d )2 s + !n (s + ! n )2 + (! d )2

Y (s) =

Y (s) =

!n (s + ! n )2 + (! d )2 p 2 !n !n 1 p 2 (s + ! )2 + (! )2 !n 1 n d !d p (3.41) 2 (s + ! )2 + (! )2 1 n d

Aplicando transformada inversa de Laplace sobre (3.41) se obtiene y (t) = 1 para t

!n t

e

p

cos (! d t)

1

2

e

0, (3.42) tambien se puede escribir como "

y (t) = 1

= 1

!n t

e

cos (! d t) + p

1

1

p

1

e 2

!n t

2

!n t

sin (! d t)

(3.42)

#

sin (! d t)

sin (! d t) +

q

1

2

cos (! d t)

(3.43)

p 2 donde ! d = ! n 1 . Utilizando las relaciones (3.38) y (3.43) se puede escribir en forma compacta como y (t) = 1

e p

!n t

1

2

(3.44)

sin (! d t + )

que es el primer tipo de respuesta mostrado en la …gura 3.10.

3.9.2.

Caso de amortiguamiento crítico

Considere el caso donde la relación de amortiguamiento función de transferencia (3.34) se convierte en H (s) =

= 1. Entonces la

Y (s) ! 2n ! 2n = 2 = R (s) s + 2! n s + ! 2n (s + ! n )2

(3.45)

3.9 Sistemas de segundo orden

101

Figura 3.10: Respuesta subamortiguada de un sistema de segundo orden

que corresponde a un par de polos ubicados en s1;2 =

!n

Si R (s) = 1s , entonces: Y (s) = donde K = 1, A =

! 2n K A B 1 = + 2 2 + s (s + ! n ) (s + ! n ) s (s + ! n ) !n, y B = Y (s) =

1 s

1. Así: 1 (s + ! n )

!n (s + ! n )2

(3.46)

Aplicando la transfromada inversa de Laplace a (3.46) se obtiene para t y (t) = 1

e

!n t

(1 + ! n t)

0

(3.47)

La ecuación (3.47) es el segundo tipo de respuesta mostrado en la …gura 3.11

3.9.3.

Caso sobreamortiguado

Considere el caso donde la relación de amortiguamiento > 1. Entonces los polos de la función de transferencia (3.34) están dados por q 2 s1;2 = 1 !n

102

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

Figura 3.11: Repuesta de amortiguamiento crítico de un sistema de segundo orden

Si la entrada es un escalón unitario R (s) = 1s , se obtiene: ! 2n 1 s2 + 2 ! n s + ! 2n s K A = + p s s + !n +

Y (s) =

2

B

+ 1

s + !n

p

(3.48)

2

1

Aplicando la transformada inversa de Laplace a (3.48) se obtiene

y (t) = 1

p 2

1 2

1

"

+

1 p

2

1

e

!n

+

p

2

1 t

+

1 p

2

1

e

!n

p

2

(3.49) Si + 1 !n 1 ! n , entonces la respuesta debida p2 p !n + 1 t 2 a 1 ! n se puede despreciar ya que el término e p2 1 t !n cae mucho más rápidamente que el correspondiente a e . Es decir, la respuesta es similar p a la de un sistema de primer orden con un solo 2 polo ubicado en + 1 ! n . La respuesta correspondiente al caso sobreamortiguado se muestra en la …gura p

2

p

2

1 t

#

3.9 Sistemas de segundo orden

103

Figura 3.12: Respuesta sobreamortiguada de un sistema de segundo orden

3.9.4.

Caso oscilatorio

Considere el caso donde la relación de amortiguamiento = 0. Entonces los polos de la función de transferencia (3.34) están dados por s1;2 =

j! n

Si la entrada es un escalón unitario R (s) = 1s , se obtiene: Y (s) =

1 ! 2n 1 = 2 2 s + !n s s

s2

s + ! 2n

(3.50)

Aplicando la transformada inversa de Laplace a (3.50) se obtiene para t 0 que y (t) = 1 cos (! n t) (3.51) cuya grá…ca se muestra en la …gura 3.13 La …gura 3.14 resume los casos vistos

3.9.5.

Especi…caciones de la respuesta transitoria para sistemas de segundo orden

Considérese un sistema de segundo orden con función de transferencia dada por la ecuación (3.34): Y (s) ! 2n = 2 R (s) s + 2 ! n s + ! 2n Si el sistema es subamortiguado (0 < < 1), la respuesta al escalón unitario es dada por la ecuación 3.44, y es habitual dar las especi…caciones mostradas en la …gura 3.5.

104

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

Figura 3.13: Respuesta oscilatoria de un sistema de segundo orden

Máximo sobrepaso Mp Para determinar el máximo sobrepaso se deriva la respuesta y (t) y se iguala a cero: !n dy (t) =p dt 1

de donde:

ó:

p 1 !n t p e sin (! t + ) d 2

2

2

1

p 1

!n 2

!n

e

!n t

cos (! d t + ) = 0; (3.52)

sin (! d t + ) = cos (! d t + )

tan (! d t + ) =

p 1

(3.53)

2

(3.54)

De la …gura 3.9 y teniendo en cuenta que la tangente es una función periódica con periodo , entonces: ! p 2 1 ! d t + = tan 1 = + n; n = 0; 1; : : : (3.55) El primer sobrepaso ocurre cuando n = 1:Entonces: tmax =

!d

=

!n

p

1

2

(3.56)

t

0

3.9 Sistemas de segundo orden

105

Figura 3.14: Diferentes respuestas para un sistema de segundo orden

y Mp = y (tmax )

(3.57)

1

Utilizando (3.43) se tiene: y (tp )

1=

e

! n tmax

Pero de (3.56) ! d tmax = " Mp =

ó:

e

! n tmax

"

y:

cos (! d tmax ) + p

2

1

cos ( ) + p

2

1

Mp = e

p

1

#

sin (! d tmax )

(3.58)

! n tmax

(3.59)

sin ( ) =

2

#

e

(3.60)

La ecuación 3.60 muestra que el máximo sobrepaso de la respuesta al escalón unitario del sistema prototipo de segundo orden es función únicamente de la relación de amortiguamiento . La …gura 3.15 muestra una grá…ca del sobrepaso Mp en función de la razón de amortiguamiento para el sistema de segundo orden: Existen diferentes criterios integrales para establecer lo que podría llamarse el valor óptimo de la razón de amortiguación R 1 . Uno de ellos se llama el criterio ITAE el cual minimiza la integral J = 0 jej tdt, integral del valor absoluto

106

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

Figura 3.15: Sobrepaso en función de la razón de amortiguación

del error multiplicado por el tiempo, que trata de penalizar la magnitud del error y la duración del mismo. Utilizando este criterio con e (t) = r (t) y (t) se obtiene = 0:707. R1 Otro criterio es el ISE que minimiza la integral J = 0 e2 dt, o integral del cuadrado del error. Este criterio no penaliza la duración del error. Con el ISE se obtiene = 0:5. Existen otros criterios de optimización. Sin embargo, el valor de = 0:7 corresponde al valor cercano al óptimo con respecto a varios de ellos. Para = 0:7, el sistema de segundo orden tiene una respuesta rápida a la entrada escalón con un sobrepaso de aproximadamente el 4:3 %. Obsérvese que en la …gura 3.15 para = 0:4 el sobrepaso es del 25:4 %, mientras que para > 0:7 es menor del 4:3 %. Tiempo de crecimiento tr : Si el tiempo de crecimiento se calcula como el que transcurre para que la respuesta sea por primera vez el 100 % del valor …nal, entonces reemplazando en (3.44): e !n tr y (tr ) = 1 = 1 p sin (! d tr + ) (3.61) 2 1 de donde

sin (! d tr + ) = 0

(3.62)

3.9 Sistemas de segundo orden

107

Así: (3.63)

(! d tr + ) = ; 2 ; 3 ; : : :

El primer cruce de y (t) con el valor unitaro o 100 % ocurre cuando (! d tr + ) = . Por lo tanto: tr =

!d

=p

2

1

(3.64)

!n

Nótese que para un valor pequeño de tr , ! n debe ser grande. Tiempo de establecimiento ts Para determinar el tiempo de establecimiento ts , nótese de (3.44) nótese que las curvas envolventes son: 1 p 1 2 e !n t . Es decir, y (t) se mantiene 1

siempre dentro del par de curvas envolventes como se muestra en la …gura 3.16. Con respecto al valor de estado estacionario, las curvas envolventes se podrían expresar de la forma Mp (t) =

e

!n t

(3.65)

que es una curva exponencial tal que: Mp (t) < 2 %, para t > 4T =

4 !n

Así, se puede aceptar que el transitorio de y (t) está a menos del 2 % del valor …nal para el tiempo ts , o tiempo de establecimiento dado por: ts =

4 !n

(3.66)

Nótese que la constante de tiempo de la envolventes es !1n , lo cual se observa en la …gura 3.16 Obsérvese que para el mismo ! n y < 1, el tiempo de establecimiento para un sistema muy levemente amortiguado, es mayor que para un sistema adecuadamente amortiguado. Sin embargo, como el valor de generalmente es determinado por un requerimiento de máximo sobreimpulso permitido, el tiempo de establecimiento ts está determiando principalmente por la frecuencia natural no amortiguada ! n . Es decir, la duración del período

108

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

Figura 3.16: Curvas envolventes de sobrepaso

transitorio puede ser variada sin modi…car el máximo sobrepaso, ajustando !n. Entonces, para tener una respuesta rápida, ! n debe ser grande, y para limitar el máximo sobrepaso Mp , la relación de amortiguación no debe ser demasiado pequeña. Ejemplo 3.1 Determine el tiempo de crecimiento, el tiempo de pico, el máximo sobrepaso, y el tiempo de establecimiento para una función de transferencia de la forma H (s) =

1 s2 + 2s + 1

cuando la entrada es un escalón unitario. Nótese que ! n = 1, y

= 0:5 para este sistema. Entonces q p 2 !d = !n 1 = 1 0:52 = 0:866

Tiempo de crecimiento tr : De la ecuación (3.64) se tiene tr =

!d

3.10 Sistemas de órdenes superiores donde

= sin

1

109

(0:866) = 1:05. Por tanto, 3:14 1:05 = 2:41s 0:866

tr =

Tiempo de pico tp : el tiempo de pico tp es dado por la ecuación (3.56) como tp =

!d

=

3:14 = 3:63s 0:866

Máximo sobrepaso Mp : de la ecuación (3.60) se tiene p

Mp = e

2

1

0:5 3:14 0:866

=e

=e

1:81

= 0:163

Tiempo de establecimiento ts : El tiempo de establecimiento de…nido por la ecuación (3.66) es 4 4 ts = = = 8s !n 0:5 1

3.10.

Sistemas de órdenes superiores

3.10.1.

Sistemas de tercer orden

Considere el sistema descrito por la función de transferencia ! 2n p Y (s) = 2 R (s) (s + 2 ! n s + ! 2n ) (s + p) Si R (s) = 1s , se puede obtener y (t), con 0 < !n t

e 2 (

y (t) = 1

(

(

( p

q

2) + 1 1

pt

< 1: 2) cos

2

2) + 1 e

2

2) + 1

!n t

e 2 (

+

2

(3.67)

2

2

1

cos

q

!nt

1

(

2) + 1 =

2

(

1)2 + 1

!nt (3.68)

2) + 1

donde = !pn . Obsérvese que como: 2

2

2

>0

110

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

entonces el coe…ciente del término e pt es siempre negativo. Por lo tanto el efecto del polo real situado en s = p en la respuesta al escalón unitario es reducir el máximo sobrepaso y podría aumentar el tiempo de establecimiento. Si el polo real está ubicado a la derecha de los polos complejos conjugados, hay tendencia a una respuesta lenta y el sistema se comporta como uno sobreamortiguado al cual los polos complejos conjugados añaden ondulaciones a la curva de respuesta.

3.10.2.

Respuesta transitoria de sistemas de mayor orden

Para el sistema dado por la función de transferencia b 0 sm + b 1 sm Y (s) = R (s) a0 s n + a1 s n

1 1

+ +

+ bm + an

(3.69)

si no hay polos repetidos, entonces: K Y (s) = q Y R (s)

(s + pj )

j=1

m Y

(s + zi )

i=1 r Y

(3.70)

(s2

+ 2 k !k +

! 2k )

k=1

donde q + 2r = n. Por descomposición en fracciones parciales de (3.70) con R (s) = 1s , se obtiene p q r X bk (s + k ! k ) + ck ! k 1 a X aj + Y (s) = + s j=1 (s + pj ) k=1 (s2 + 2 k ! k + ! 2k )

2 k

(3.71)

Aplicando transformada inversa de Laplace a la ecuación (3.71) se puede expresar y (t) = a +

q X j=1

aj e

pj t

+

r X

bk e

k !k t

k=1

+

r X k=1

ck e

q cos ! k 1 k !k t

sin ! k

2 kt

q

1

2 kt

, para t

0

3.10 Sistemas de órdenes superiores

111

Si todos los polos están en el semiplano complejo izquierdo: yss = l m y (t) = a t!1

Considérese que el sistema es estable. Entonces los polos que están ubicados lejos del eje imaginario tienen partes reales negativas grandes y por lo tanto los términos exponenciales en y (t) caen muy rápidamente a cero ya que el tiempo de establecimiento depende de la distancia horizontal de los polos al eje imaginario. Cuando los sistemas de control son de orden alto y dependiendo de la ubicación de sus polos, se pueden aproximar por sistemas de más bajo orden. Para propósitos prácticos, el plano s, se puede dividir en regiones que contienen polos dominantes y polos no signi…cativos como se muestra en la …gura

Figura 3.17: Regiones de polos dominantes y no signi…cativos en el plano s

Los polos que están cerca al eje imaginario en el semiplano complejo izquierdo corresponden a respuestas transitorias que decaen relativamente lento, mientras que los polos que están lejos del eje imaginario en el semiplano complejo izquierdo (con respecto a los polos dominantes) corresponden a respuestas que decaen rápidamente con el tiempo. Desde el punto de vista práctico, si la magnitud de la parte real de un polo es al menos de 5 a 10 veces la de un polo dominante o de un par de polos complejos dominantes, entonces aquel puede ser considerado como un polo no signi…cativo en lo que toca con la respuesta transitoria. Algunas respuestas se muestran en la …guraEn la …gura 3.16a la respuesta corresponde a un par de polos complejos conjugados dominantes. Su comportamiento es similar al de uno de segundo orden. En la …gura 3.16b se

112

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

Figura 3.18: Algunas respuestas de sistemas de orden superior

nota la presencia de un polo real dominante, ya que se asemeja a la respuesta de un sistema de primer orden sobre el que se superpone la respuesta de un par de polos complejos conjugados menos dominantes. La …gura 3.16c muestra la respuesta de un par de polos complejos dominantes sobre la que se superpone la respuesta de otro par de polos complejos menos dominantes. Las regiones mostradas en la …gura 3.17 son escogidas únicamente para las de…niciones de polos dominantes y no signi…cativos. Para propósitos de diseño, como por ejemplo en la reubicación de polos, los polos dominantes y los no signi…cativos son probablemente localizados en las regiones de la …gura 3.19. En la …gura 3.19 no se muestran coordenadas absolutas, excepto que la región deseada de los polos dominantes es centrada alrededor de la línea que corresponde a = 0:707. Nótese además, que en diseño no se pueden ubicar los polos no signi…cativos muy lejos del eje imaginario en el semiplano complejo izquierdo ya que estos podrían requerir valores de parámetros no realísticos. Ejemplo 3.2 Cconsidere un sistema con función de transferencia en lazo cerrado Y (s) 10 10 = = 2 R (s) (s + 10) (s + 2s + 2) (s + 10) (s + 1 j) (s + 1 + j) encuentre un modelo aproximado de segundo orden. El polo en s = 10 es 10 veces la parte real de los polos complejos conjugados. Así, los polos dominanes están en s = 1 j. Para despreciar el polo no signi…cativo se reescribe la función de transferencia de la siguiente manera Y (s) = R (s) 10

s 10

10 + 1 (s2 + 2s + 2)

3.11 Ejercicios propuestos

113

Figura 3.19: Regiones de polos dominantes y no signi…cativos en el plano s para diseño

El término

s 10

se puede despreciar cuando se compara con 1. Entonces Y (s) R (s)

10 (s2

10 + 2s + 2)

De esta manera, la respuesta de estado estacionario del sistema de tercer orden no se afectará por la aproximación.

3.11.

Ejercicios propuestos

Ejercicio 3.1 Se requieren un par de polos complejos conjugados en el plano s en un sistema para cumplir con las siguientes especi…caciones: a. b. 0 c. d. 0:5

0:5, ! n

5

0:707, ! n 0:5, 1

!n

5 4

0:707, ! n

10

Para cada caso, gra…que la región en el plano s en el cual pueden ir ubicados los polos.

114

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

Ejercicio 3.2 Determine la respuesta al escalón unitario y al impulso unitario, para los siguientes sistemas a. H (s) =

500 (1+0:1s)(1+5s)

b. H (s) =

K s(1+0:1s)(1+5s)

c. H (s) =

10K s(s2 +4s+200)

d. H (s) =

K(1+2s)(1+4s) s(s2 +2s+10)

Ejercicio 3.3 Determine los valores de K y k del sistema con función de transferencia K H (s) = 2 Js + Kks + K tal que el máximo sobrepaso a un escalón unitario sea del 25 % y el tiempo de pico sea 2s. Asuma que J = 1kg m2 . Ejercicio 3.4 En determinadas misiones espaciales los astronautas deben abandonar la nave y operar en el espacio. Para permitir que las extremidades del astronauta estén libres es necesario proveer un sistema de control que no las utilice. Por esta razón se propone un controlador por voz cuyo diagrama simpli…cado se muestra en la …gura 3.20.en donde R es la posición deseada,

Figura 3.20: Sistema del problema 3.4 E es un comando por voz, T es el torque, V es la velocidad y y (t) es la posición en metros. El controlador (Jet a gas) opera por comando de voz y puede ser representado aproximadamente por una ganancia proporcional K2 . La inercia del hombre y del equipo es J = 25 Kg m2 .

3.11 Ejercicios propuestos

115

a. Determinar la ganancia necesaria K3 para que el error en estado estacionario sea 1 cm con una señal de entrada rampa unitaria. b. Con esa ganancia K3 determinar los límites en la ganancia K1 K2 para restringir el máximo sobreimpulso al 10 %. Ejercicio 3.5 Un modelo muy simple del sistema para realimentación que un estudiante utiliza para controlar sus notas se muestra en la …gura 3.21, en dondedonde Td es el tiempo disponible, Te es el tiempo para estudiar,

Figura 3.21: Modelo del ejercicio 3.5

Tx es el tiempo para actividades extracurriculares, N representa las notas, y K1 es un efecto proporcional en las notas. Algunos valores típicos de los parámetros serían K1 = 1, 1 = 1 mes, y 2 = 12 mes. El esfuerzo en eliminar actividades extracurriculares se re‡eja en la ganancia K2 , para lo cual determinado estudiante podría tener K2 = 21 . a. Calcular la respuesta del sistema a un incremento escalón en el tiempo disponible. Cuántos meses transcurren antes de que el incremento en el tiempo disponible resulte en notas mejores? Usar el tiempo pico para esta estimación. b. Una perturbación en escalón, D (s) = Ds , ocurre debido a exámenes más di…ciles. Usando el tiempo de establecimiento, determinar el tiempo necesario para alcanzar el estado estacionario. Determinar el efecto en estado estacionario sobre las notas debido a la perturbación escalón de magnitud D.

116

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

c. Repetir a y b para un estudiante cuya dedicación a actividades extracurriculares se re‡eja con K2 = 2. Ejercicio 3.6 Resolver el ejercicio 3.5 con un sobrepaso del 3 % y con un tiempo de solución de 1 segundo. Calcular K1 ; K2 ; tr y tp . Ejercicio 3.7 Un sistema de control de posición tiene una función de transferencia en lazo cerrado (metro/metro) de la forma b0 s + b1 Y (s) = 2 R (s) s + a1 s + a2 Seleccione los parámetros fa1 ; a2 ; b0 ; b1 g tal que se cumplan las siguientes especi…caciones: El tiempo de crecimiento sea tr El máximo sobrepaso Mp

0:1 seg.

20 %.

El tiempo de establecimiento ts

0:5 seg.

El error de estado estable para una referencia escalón sea igual a cero. El error de estado estable para una referencia rampa unitaria de 0:1 m/seg sea menor de 1 mm: Ejercicio 3.8 Muestre que el sistema de segundo orden y• + 2 ! n y_ + ! 2n y = 0; y (0) = y0 ; y_ (0) = 0 tiene como respuesta e y (t) = y0 p 1

t 2

sin ! d t + cos

1

Ejercicio 3.9 Considere el siguiente sistema de tercer orden H (s) =

! 2n p (s + p) (s2 + 2 ! n s + ! 2n )

Muestre que la respuesta al escalón unitario es y (t) = 1 + Ae

pt

+ Be

t

sin (! d t

)

3.11 Ejercicios propuestos

117

donde A =

! 2n 2 ! n p + p2 p

! 2n

B = q

(p2

= tan

1

2 2 ! n p + ! 2n ) 1 p p 2 2 1 1 1 + tan p !n

a. Cuál término domina y (t) cuando p se hace grande? b. Dar los valores aproximados para A y B para valores pequeños de p. c. Cuál término domina y (t) cuando p se hace pequeño (pequeño con respecto a que)? Ejercicio 3.10 Las ecuaciones de movimiento para un motor DC son Jm •m + b +

Kt Ke Ra

_ m = Kt v a Ra

Asuma que Jm b Ke Kt Ra

= = = = =

0:01 kg:m2 0:001 N:m:seg 0:02 V:seg 1 N:m=A 10

a. Encuentre la función de transferencia entre el voltaje aplicado va y la velocidad del motor _ m . b. Cuál es la velocidad de estado estable del motor después de aplicar un voltaje de va = 10 V ? c. Encuentre la función de transferencia entre el voltaje aplicado va y el desplazamiento angular del eje del rotor m .

118

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

d. Suponga que se aplica realimentación a la parte (c) tal que el voltaje aplicado este dado por va = K (

r

m)

donde r es la entrada de referencia y K la ganancia de realimentación. Encuentre la función de transferencia entre r y m . e. Cuál es el valor máximo de K que puede ser usado si se desea un máximo sobrepaso del Mp 20 %? f. Qué valores de K permiten obtener un tiempo de establecimiento ts menor de 4 segundos (ignorando la restricción de Mp )? g. Use MatlabTM para gra…car la respuesta al escalón unitario para valores de K = 0:01; 0:02; y 0:04. Encuentre el sobrepaso y el tiempo de establecimiento para los tres valores de K a partir de los grá…cos. Son los grá…cos consistentes con las respuestas de los numerales (e) y (f)? Ejercicio 3.11 El diagrama de bloques de un piloto automático diseñado para mantener la inclinación de un avión es mostrado en la …gura 3.22. La función de transferencia que relacióna la elevación e con la inclinación es 50 (s + 1) (s + 2) (s) = G (s) = 2 (s + 5s + 40) (s2 + 0:03s + 0:06) e (s) donde e y están en grados. El controlador del piloto automático usa el error en la inclinación " para ajustar la elevación de acuerdo a la siguiente función de transferencia K (s + 3) (s) = D (s) = " (s) s + 10 e

Encuentre usando MatlabTM el valor de K tal que se obtenga un sobrepaso menor del 10 % y un tiempo de crecimiento menor de 0.5 segundos para una entrada r escalón unitario.

3.11 Ejercicios propuestos

θr

+

ε −

119

D(s )

δe

G (s )

θ

Figura 3.22: Diagrama de bloques del piloto automático del ejercicio 3.11.

120

Análisis en el dominio del tiempo de sistemas de control

Capítulo 4 Criterios de Estabilidad Se supone que el lector tiene alguna idea sobre estabilidad para sistemas lineales e invariantes con el tiempo, por lo menos al punto de saber que la estabilidad de un sistema está asociada con la ubicación en el plano complejo s (frecuencia compleja) de las raices de la ecuación característica: el sistema es estable si todas las raices están en el semiplano complejo izquierdo. Sin embargo, por conveniencia y para complementar, se presentarán algunos aspectos del problema de estabilidad y algunos criterios para determinarla en sistemas análogos. Se de…nirá primero la estabilidad externa o estabilidad entrada acotada salida acotada (BIBO: bouded input bouded output) para un sistema lineal invariante con el tiempo. Luego se de…ne la estabilidad interna de una realización con el requerimiento de que todas las raices de la ecuación característica tengan partes reales negativas. Se notará que estabilidad interna podría no ser equivalente a estabilidad interna, excepto para realizaciones mínimas. Se tratará brevemente el método de Lyapunov para investigar la estabilidad, el cual sirve para obtener un criterio analítico para la estabilidad interna de sistemas lineales e invariantes con el tiempo. Se analizarán criterios algebraicos y frecuenciales para determinar la estabilidad de sistemas continuos tales como: criterio de Routh-Hurwitz, principio del argumento o del ángulo, criterio de Mikhailov, el criterio de Nyquist, regla de las transiciones y estabilidad según el diagrama de Bode.

121

122

4.1.

Criterios de Estabilidad

Estabilidad externa

Se dice que un sistema causal es externamente estable si una entrada acotada ju (t)j < M1 , 1 < T t < 1, produce una salida acotada jy (t)j < M2 , T t < 1. Una condición necesaria y su…ciente para tal estabilidad, entrada acotada - salida acotada, es que la respuesta impulsiva sea tal que: Z 1 jh (t)j dt < M < 1 (4.1) 0

en donde h (t) = L 1 fH (s)g y H (s) es la función de transferencia del sistema. En la discusión sobre estabilidad esterna se supondrán condiciones iniciales cero. Cuando éstas no son cero, se pueden tratar como entradas acotadas al sistema desenergizado, y por eso no hay pérdida de generalidad aquí. Para probar la su…ciencia de (4.1) nótese que Z 1 h ( ) u (t )d (4.2) y (t) = h (t) u (t) = 0

y con las mismas suposiciones para h (t) y u (t), Z 1 Z 1 jy (t)j = h ( ) u (t )d jh ( )j ju (t 0 0 Z 1 M1 jh ( )j d M

)j d (4.3)

0

con M < 1. Para demostrar la necesidad, supóngase que Z 1 jh ( )j d = 1 0

pero que todas las entradas acotadas dan salidas acotadas. Se establecerá una contradicción aqui, y asi probar la necesidad de la condición (4.1). Para esto considérese una entrada acotada de…nida por: 8 < 1; si h (t) > 0 0; si h (t) = 0 (4.4) (t1 t) = sgn (h (t)) , : 1; si h (t) < 0

4.1 Estabilidad externa

123

en donde t1 es algún instante …jo de tiempo. Entonces con (4.4) en (4.2): Z 1 y (t1 ) = h ( ) u (t1 )d 0 Z 1 Z 1 = h ( ) sgnh ( ) d = jh ( )j d = 1; por suposición 0

0

Por lo tanto y (t) no sería acotada. Para mostrar la relación entre las raices de la ecuación característica y la condición en la ecuación (4.1), se reescribe la función de transferencia como: Z 1 h (t) e st dt (4.5) H (s) = L fh (t)g = 0

Tomando el valor absoluto en ambos lados de (4.5) se obtiene Z 1 Z 1 st jH (s)j = h (t) e dt jh (t)j e st dt 0

con s =

(4.6)

0

+ j!, entonces st

e

= e

t

e

j!t

= e

t

Cuando s es igual a uno de los polos de H (s), H (s) = 1 y (4.6) es: Z 1 1 jh (t)j e t dt

(4.7)

(4.8)

0

Si una o más raices de la ecuación característica están en el semiplano complejo derecho o sobre el eje imaginario, entonces e

t

La ecuación (4.8) es entonces: Z 1 Z 1 M jh (t)j dt = 0

(4.9)

M =1

0

1

jh (t)j dt

(4.10)

lo cual viola el requerimiento de estabilidad externa. Por lo tanto, para estabilidad entrada acotada - salida acotada, las raices de la ecuación característica, o los polos de H (s) deben estar en el semiplano complejo izquierdo.

124

4.2.

Criterios de Estabilidad

Estabilidad interna

La estabilidad interna se re…ere a la estabilidad de una realización de un sistema. Así, un sistema con ecuaciones de estado y de salida x_ = Ax + Bu y = Cx

(4.11)

es internamente estable si la solución de x=Ax; _ x (t0 ) = x0 ; t

(4.12)

t0

donde x, tiende a cero (0) cuando t ! 1 (en el estado estacionario, xss ) para un arbotrario x0 . Si se examina la solución en el dominio de la frecuencia compleja (transformada de Laplace) se tiene: X (s) = (sI

A)

1

x0 =

adj (sI det (sI

A) x0 A)

(4.13)

y utilizando el teorema del valor …nal: xss = l m x = l m sX (s) = l m s t!1

s!0

s!0

adj (sI det (sI

A) x0 = 0 A)

(4.14)

si y solo si las frecuencias naturales (raices del det (sI A)) están en el semiplano complejo izquierdo. Por lo tanto, la realización será internamente estable si y solo si 0. Así, la condición 4.42 se puede también escribir Wl a (j! ) < 1 Esto es:

K (T1 T2 + T1 T3 + T2 T3 )

1 y T1 < T2

debe enlazar el punto 1+j0, 12 vez para ser estable. Es decir, el giro alrededor de 1 + j0 debe ser + radianes. Considérese varios casos: a. K > 1 y T1 < T2 .Nótese que Wl

a

(j0) =

K < 1 con K > 1

Además: arg Wl

a

(j!) =

arg Wl

a

(j!) =

tan

!T1 tan 1 !T2 1 tan 1 !T1 tan 1 !T2

1

Esto es: arg Wl

a

(j!) =

+ tan

1

!T1

tan

1

!T2 <

4.5 Criterios frecuenciales de estabilidad

149

porque con T1 < T2 1

tan

!T1

tan

1

!T2 < 0

Para ! ! 1: ! 0

Wl

a (j!) !!1

arg Wl

a

(j!) =

+

!!1

2

2

=

Así F (j!) gira radianes alrededor de 1 + j0, lo que indica inestabilidad. Entonces, el caso K > 1 y T1 < T2 es inestable en lazo cerrado. b. K < 1 y T1 > T2 .Nótese que:

Figura 4.15: Caso K < 1 y T1 > T2

Wl

a

K > 1 con K < 1

(j0) =

Además arg Wl

a

(j!) =

+ tan

1

!T1

tan

porque con T1 > T2 : tan

1

!T1

tan

1

!T2 > 0

Para ! ! 1: Wl

a (j!) !!1

arg Wl !!1

a

! 0

(j!) =

1

!T2 >

150

Criterios de Estabilidad El giro neto de F (j!) es cero alrededor de y T1 > T2 es inestable.

1 + j0. Así, el caso K < 1

c. K > 1 y T1 > T2 .Nótese que

Figura 4.16: Caso K > 1 y T1 > T2

Wl

a

K < 1 con K > 1

(j0) =

Además arg Wl

a

(j!) =

+ tan

1

!T1

tan

1

!T2 >

porque con T1 > T2 : tan

1

!T1

tan

1

!T2 > 0

Para ! ! 1: Wl

a (j!) !!1

arg Wl

a

! 0

(j!) =

!!1

Así F (j!) gira radianes alrededor de 1 + j0, lo que indica inestabilidad. Entonces, el caso K > 1 y T1 > T2 es estable en lazo cerrado. Ejemplo 4.10 Considere la función de transferencia en lazo abierto dada por K Wl a (s) = (T1 s 1) (T2 s + 1) (T3 s + 1)

4.5 Criterios frecuenciales de estabilidad con K > 1, Wl

a

(j0) = tan

1

1. Además, con

K< !T1

151

1

tan

!T2

tan

1

!T3 > 0

para 0 < ! < ! . Entonces arg Wl

a

(j!) =

+ tan

Para ! ! 1:

1

jWl

!T1

a

tan

1

!T2

tan

1

!T3 >

(j!)j ! 0

y arg Wl

a (j!) !!1

=

+

2

2

2

=

3 2

Entonces Wl a (j!) cruza 180o para terminar en 32 en ! ! 1. Como m = 1, entonces F (j!) debe girar m2 (2 ) = radianes alrededor de 1 + j0, para que el sistema en lazo cerrado, Wl c (j!), sea estable. La curva II en , mientras que la curva I gira .Así, I es estable y la …gura 4.17 gira

Figura 4.17: Posibles casos de Nyquist del ejemplo 4.10

Wl

a

(j! ) debe estar a la derecha de Wl

a

(j! ) >

1o

1 + j0. Por lo tanto: Wl

a

(j! ) < 1

Como Wl

a

(j!) =

[1 +

!2

(T1 T2 + T1 T3

K T2 T3 )] + j! (T1

T2

T3

! 2 T1 T2 T3 )

152

Criterios de Estabilidad

donde ! se obtiene haciendo la parte imaginaria cero, esto es: T1

T2

T3

! 2 T1 T2 T3 = 0

! =

r

T2 T3 T1 T2 T3

de donde

T1

Así: Wl

a

(j!) =

Wl

a

(j!) =

1+

!2

T1 T2 T3 T1 T2 T3

1+ Entonces, Wl

c

K (T1 T2 + T1 T3 K

T2 T3 ) 1

o Wl

(j! ) < 1

a

lo que da T1 T2 K 0, se tiene la …gura

4.5 Criterios frecuenciales de estabilidad

157

Figura 4.21: Polos sobre el eje imaginario

arg Wl

a

(j!) =

tan

1

!T1 ; para 0 ! < 1 tan 1 !T1 ; para ! > 1

Entonces, Wl a (j!) ! 1 cuando ! ! 1, con un ángulo tan 1 1T1 . Luego, Wl a (j!) gira radianes, complemento en in…nito, y el ángulo será 1 tan !T1 , terminando en 32 en ! = 1. Como m = 0 el diagrama de Nyquist no debe enlazar el punto 1 + j0. Así, el diagrama de la …gura 4.21a es inestable. Si K < 0: arg Wl

a

(j!) =

tan 1 !T1 ; para 0 ! < 1 2 tan 1 !T1 ; para ! > 1

Cuando ! ! 1, Wl a (j!) ! 1, con ángulo tan 1 1T1 . Luego el diagrama gira radianes, complemento en in…nito, como se muestra en la …gura 4.21b, y el ángulo será 2 tan 1 !T1 . De los diagramas de la …gura 4.21b, I es estable porque no encierra el punto 1 + j0. Para este diagrama K > 1. Así K no puede ser positivo ni inferior a cero. La condición de estabilidad es entonces 1 < K < 0.

4.5.5.

Regla de las transiciones

Considere la …gura 4.22. En general, si se consideran las transiciones sobre el eje real, para el intervalo ( 1; 1), positivas del plano superior al inferior, cuando ! aumenta, y negativas del plano inferior al superior, tambien cuando

158

Criterios de Estabilidad

Figura 4.22: Regla de las transiciones

! aumenta, el sistema es estable si la suma algebraica del número de las transiciones es igual a m2 , donde m es el número de polos de la función de transferencia en lazo abierto Wl a (s), en el semiplano complejo derecho. Supóngase m = 2 para la …gura 4.22. El número de transiciones a la izquierda de 1 + j0 es 2 1 = 1 y m2 = 1, luego el sistema en lazo cerrado Wl c (s), es estable. Nótese que el giro neto alrededor de 1 + j0 es 2 = m2 2 con m = 2, lo que veri…ca el resultado en este caso particular. Si el diagrama inicia a la izquierda de 1 + j0, se considera 21 transición si lo hace hacia arriba, y 12 transición si lo hace hacia abajo. Además, debe tenerse en cuenta las transiciones del complemento en in…nito si este toca la región ( 1; 1).

4.5.6.

Estabilidad según el diagrama de Bode

Ya que cuando jWl a (j!)j > 1, jWl a (j!)jdB = 20 log jWl a (j!)j > 0, el intervalo ( 1; 1) está asociado con valores positivos de jWl a (j!)jdB . La línea en el diagrama de Nyquist está asociada en el de Bode, con los ángulos , 3 , 5 , .... De esta manera, el criterio de Nyquist aplicado al diagrama de Bode puede

4.5 Criterios frecuenciales de estabilidad

159

Figura 4.23: Regla de transiciones para el diagrama de Bode

ser formulado como: De…nición 4.5 Un sistema de control en lazo cerrado es estable si la suma algebraica del número de transiciones positivas y negativas de la curva de fase de Wl a (j!), ' (!) con las líneas , 3 , 5 , . . . , cuando la curva de amplitud en decibelios jWl a (j!)jdB del sistema en lazo abierto es positiva, jWl a (j!)jdB > 0 o jWl a (j!)j > 1, es igual a m2 , donde m es el número de polos de Wl a (s) en el semiplano complejo derecho. Las transiciones son positivas cuando ' (!) aumenta positivamente, y negativas en caso contrario.

4.5.7.

Especi…caciones en el dominio frecuencial

Ancho de banda: AB Con: M (j!) =

Wl a (j!) C (j!) = = M (j!) ej R (j!) 1 + Wl a (j!)

m (!)

(4.49)

Se de…ne el ancho de banda, AB, como la frecuencia a la cual jM (j!)j vale el 70:7 % del nivel a frecuencia cero o 3dB por debajo del nivel de frecuencia nula, como se muestra en la …gura 4.24. Nótese que AB indica las características del …ltraje de ruido del sistema y da también una medida de las propiedades de la respuesta transitoria. Si AB es grande, las señales de alta frecuencia pasan a la salida, es decir, la respuesta transitoria tiene un tiempo de subida o de levante rápido. Por el

160

Criterios de Estabilidad

Figura 4.24: Ancho de banda

contrario, si AB es pequeña, sólo pasarán las señales de baja frecuencia y, por consiguiente, la respuesta temporal será lenta. Factor de pico o de resonancia: Mv Es el valor máximo de jM (j!)j. Es un indicativo de la estabilidad relativa del sistema. Posteriormente se verá que a los valores altos de Mv corresponden amplios sobrepasos de la respuesta temporal. Normalmente se admite 1:1 < Mv < 1:5, para buenos resultados. Frecuencia de resonancia: ! v Es la frecuencia para la cual se produce el pico de resonancia. Otros factores importantes en la medida de la estabilidad relativa de un sistema de control son el margen de amplitud y el margen de fase. Estos conceptos se verán más adelante.

4.5.8.

Correlación entre respuestas transitoria y frecuencial para un sistema de segundo orden

Considere el sistema de la …gura 4.25. Se obtiene la función de transferencia en lazo cerrado C (s) ! 2n = 2 R (s) s + 2&! n s + ! 2n

4.5 Criterios frecuenciales de estabilidad

161

Figura 4.25: Sistema de segundo orden

Con s = j! se tiene: 1

C (j!) = R (j!) 1

!2 ! 2n

+ j2& !!n

v u M (!) = u t

2

= M (!) ej

(!)

(4.50)

donde:

(!) =

1 !2 ! 2n

1

tan

1

+ 2& !!n !2 ! 2n

1

2& !!n

(4.51)

2

!

(4.52)

El pico de resonancia es el valor máximo de M (j!), que se puede calcular minimizando su denominador. Esto es, M (j!) es máximo si (4.53) es mínimo D (j!) =

1

!2 ! 2n

+ j2&

! !n

(4.53)

Derivando (4.53): dD (j!) d! dD (j!) d!

= 2 1 !=! v

!2 ! 2n

2! ! 2n

=

+ 2& 2 = 0

!=! 0

! 2v ! 2n

1

de donde: !v = !n

p 1

2& 2

+ 2&

! !n

2& !n

!=! v

(4.54)

162

Criterios de Estabilidad

Figura 4.26: Respuesta frecuencial de un sistema de segundo orden

Obsérvese que ! v existe si 1 2& 2 > 0, esto es, si: & < p12 = 0:707. Cuando & > 0:707 no hay resonancia y M (!) < 1, como se muestra en la …gura 4.26. Con (4.54) en (4.51): 1

Mv = q

2

(2 ) + 4

= 2

1

2

2

1 2& 1 p

&2

(4.55)

La …gura 4.27 muestra la correlación existente entre el pico de resonancia Mv y el máximo sobrepaso Mp .

Figura 4.27: Correlación entr Mv y Mp Obsérvese que Mv y Mp están relacionados. Si Mv aumenta, también lo hace Mp . Recuérdese que si aumenta, Mp disminuye y el transitorio se suaviza. Lo mismo se puede decir del factor o pico de resonancia Mv .

4.5 Criterios frecuenciales de estabilidad

4.5.9.

163

Estabilidad Relativa

La …gura 4.28 muestra el concepto de estabilidad relativa de un sistema en lazo cerrado Wl c (s) mediante los lugares de Nyquist de Wl a (j!) para un sistema de tercer orden, con cuatro valores distintos de ganancia K con Wl a (j!) estable.

Figura 4.28: Grados de estabilidad de un sistema

El lugar Wl a (j!) en la …gura 4.28a enlaza el punto 1 + j0 por lo cual Wl a (j!) es inestable y la respuesta a un escalón unitario crece con el tiempo. En la …gura 4.28b Wl a (j!) pasa por el punto crítico 1 + j0 y el sistema está entre la estabilidad y la inestabilidad, por lo tanto la respuesta a un

164

Criterios de Estabilidad

escalón unitario es una oscilación senoidal sostenida. Los lugares Wl a (j!) en las …guras 4.28c y 4.28d no enlazan el punto crítico. Sin embargo, el lugar Wl a (j!) de la …gura 4.28c pasa más próximo al punto crítico, y por consiguiente, la respuesta de un sistema a un escalón unitario será más oscilante y con un sobrepaso más pronunciado que el mostrado en la …gura 4.28d, correspondiente a un lugra de Nyquist más alejado de 1 + j0. Cuantitativamente, la distancia entre el lugar Wl a (j!) y el punto 1 + j0 da una medida de la estabilidad relativa del sistema en lazo cerrado. Más especí…camente, el margen de amplitud y el margen de fase se utilizan generalmente para determinar el grado de estabilidad relativa de un sistema de control.

4.5.10.

Margen de amplitud

Es una medida de la proximidad del punto de fase crítica al punto crítico, punto B de la …gura 4.29.

Figura 4.29: Margen de amplitud y margen de fase Con ! = ! cp la frecuencia en el punto de la fase crítica: = jWl

a

(j! cp )j

y el margen de amplitud en dB del sistema se de…ne como: 1 1 margen de amplitud en dB = 20 log = 20 log jWl a (j! cp )j

(4.56)

4.5 Criterios frecuenciales de estabilidad

165

Obsérvese en la …gura 4.29 que si la ganancia en lazo abierto se aumenta hasta que jWl a (j! cp )j = 1 el margen de amplitud vale 0 dB. Por otro lado, para un sistema de segundo orden le lugar Wl a (j!) no corta el eje real negativo y por lo tanto jWl a (j! cp )j = 0 y entonces el margen de amplitud es in…nito, en decibelios, como se muestra en la …gura 4.30.

Figura 4.30: Lugar de Nyquist para un sistema de segundo orden

La interpretación física del margen de amplitud es la siguiente: el margen de amplitud es la ganancia en decibelios que se puede añadir a la cadena en lazo abierto antes de que el sistema alcance la inestabilidad. Si Wl a (j!) pasa por el punto 1 + j0 el margen de amplitud vale 0 dB lo que implica que la ganancia ya no puede aumentarse sin provocar la inestabilidad. Para un sistema de segundo orden, el corte en el eje negativo jWl a (j! cp )j es cero y el margen de amplitud es in…nito; es decir que, teóricamente, el valor de la ganancia puede aumentarse hasta in…nito antes de que se produzca inestabilidad. Cuando el lugar Wl a (j!) enlaza el punto crítico, jWl a (j! cp )j > 1 y el margen de amplitud en dB se hace negativo. Un margen de amplitud dengativo corresponde a un sistema inestable siempre y cuando Wl a (s) sea estable. Ya que si Wl a (s) es inestable, con m polos en el plano derecho, Wl a (j!) debe enlazar m2 veces el punto crítico para 0!!!1

Wl c (s) sea estable. En general, el margen de amplitud es una de las varias formas esenciales empleadas para indicar la estabilidad relativa del sistema. Teóricamente, un sistema con un amplio margen de amplitud debe ser más estable que otro con

166

Criterios de Estabilidad

un margen de amplitud menor. Sin embargo, esta a…rmación no siempre es cierta. En la práctica, el margen de amplitud por si solo no da la indicación su…ciente de la estabilidad relativa del sistema. Por ejemplo, los dos lugares Wl a (j!) de la …gura 4.31 tienen el mismo margen de amplitud in…nito.

Figura 4.31: Lugares de Nyquist de dos sistemas con igual margen de amplitud pero con distinta estabilidad relativa

Sin emabrgo, el lugar A corresponde a un sistema más estable que el lugar B ya que con cualquier pequeño cambio de algún parámetro del sistema, es posible que el lugar B pase por el punto 1 + j0 o lo enlace. Los dos lugares Wl a (j!) de la …gura 4.32 tienen también el mismo margen de amplitud, pero el sistema correspondiente a la curva A representa ciertamente un sistema más estable. Para de…nir adecuadamente la estabilidad relativa de un sistema, se utiliza el margen de fase para diferenciar el grado de estabilidad de casos como los de las …guras 4.31 y 4.32.

4.5.11.

Margen de fase

El margen de fase mide la proximidad del punto de ganancia crítica al punto crítico. Se de…ne como el ángulo que debe girarse el lugar de Nyquist de Wl a (j!) para que el punto jWl a (j! cp )j = 1 del lugar, pase por el punto crítico 1 + j0. La …gura 4.33 muestra que el margen de fase es el ángulo que el radio vector unidad forma con el eje real negativo en el plano Wl a (j!).

4.5 Criterios frecuenciales de estabilidad

167

Figura 4.32: Lugares de Nyquist con el mismo margen de amplitud pero con diferente grado de estabilidad relativa

Entonces Margen de fase =

=

180o = arg (Wl

a

(j! cg )) 180o = 180o +

(4.57)

donde ! cg es la frecuencia de la ganancia crítica. Algunos valores recomendables de diseño son: margen de amplitud = 12dB, margen de fase = 60o .

4.5.12.

Margen de amplitud y margen de fase en el lugar de Bode

Con Wl a (s) el procedimiento para obtener el margen de ampitud y el margen de fase a partir de lugar de Bode, …gura 4.34 es el siguiente: 1. Construir el lugar de Bode de de !.

jWl

a (j!)j K

y de arg Wl

a

(j!) en función

2. Para obtener el margen de amplitud, se determina en primer lugar el punto en que arg Wl a (j!) corta el eje 180o , punto de fase crítica. El margen de amplitud para K = 1 es el valor que toma la curva de amplitud jWl Ka (j!)j en dB, en el punto de fase crítica, …gura 4.34. Para cualquier otro valor de K el margen de amplitud es simplemente el margen de amplitud para K = 1 menos el valor de K en dB, 20 log K.

168

Criterios de Estabilidad

Figura 4.33: Margen de fase

Si la curva de fase no corta nunca el eje de 180o permaneciendo por encima, el sistema es siempre estable; por ejemplo, en un sistema de segundo orden la fase tiende a 180o asintóticamente cuando ! ! 1. 3. Para obtener el margen de fase, se determina en primer lugar el punto en que la curva jWl Ka (j!)j en dB corta el eje de 0 dB, es decir, el punto de ganancia crítica. El ángulo entre la curva de fase en el punto de ganancia crítica, arg Wl a (j! cg ) y el eje de 180o es el margen de fase para K = 1. Para cualquier ptrp valor de K, el margen de fase se obtiene desplazando el eje de 0 dB a K en dB y siguiendo el procedimiento que se acaba de indicar.

4.6.

Ejercicios propuestos

Ejercicio 4.1 Considere el polinomio característico de un sistema dado por: p (s) = s6 + 5s5 + 11s4 + 25s3 + 36s2 + 30s + 36 Determinar si el sistema es estable usando el criterio de Routh-Hurwitz, y encontrar los valores para todos los polos.

4.6 Ejercicios propuestos

169

Figura 4.34: Margen de fase y de amplitud para el diagrama de Bode

Ejercicio 4.2 Aplique el criterio de Routh-Hurwitz a los siguientes polinomios característicos y determine: a) el número de raices con partes reales positivas, b) el número de raices con partes reales nulas, y c) el número de raices con partes reales negativas. a. p (s) = 4s3 + 7s2 + 7s + 2 b. p (s) = s3 + 3s2 + 4s + 1 c. p (s) = 5s3 + s2 + 6s + 2 d. p (s) = s5 + 2s4 + 2s3 + 4s2 + 11s + 10 Ejercicio 4.3 Considere el polinomio característico de un sistema dado por p (s) = s3 + 5s2 + Ks + 1 a. Determine para que rango de valores de K tendrán partes reales negativas los polos del sistema b. Determine el valor de K que hagan que desaparezcan las partes reales.

170

Criterios de Estabilidad

Ejercicio 4.4 Las ecuaciones características de algunos sistemas se muestran a continuación. Para cada caso, determine los valores de K que correspondan a un sistema estable. a. p (s) = s4 + 22s3 + 10s2 + s + K b. p (s) = s4 + 20Ks3 + 5s2 + (10 + K) s + 15 c. p (s) = s3 + (K + 0:5) s2 + 5Ks + 50 Ejercicio 4.5 Gra…que el diagrama de Bode de un controlador PID dado por la función de transferencia Gc (s) = 2:2 +

2 + 0:2s s

Ejercicio 4.6 Gra…que el diagrama de Bode de un sistema con función de transferencia dada por H (s) =

(s + 4) (s + 20) (s + 1) (s + 80)

Ejercicio 4.7 Gra…que el diagrama de Nyquist de un sistema con función de transferencia dada por K H (s) = s 1 Ejercicio 4.8 Gra…que el diagrama de Nyquist de un sistema con función de transferencia dada por H (s) =

20 (s2 + s + 0:5) s (s + 1) (s + 10)

En el diagrama de Nyquist ubique los puntos de frecuencia ! = 0:1, ! = 0:2, ! = 0:4, ! = 0 6, ! = 1, ! = 2, ! = 4, ! = 6, ! = 10, ! = 20, y ! = 40. Ejercicio 4.9 Con el mismo sistema del ejemplo 4.6, gra…car las curvas de Mikhailov y calcular el número de polos inestables para a. K = 40 b. K =

5

4.6 Ejercicios propuestos

171

Ejercicio 4.10 Por el método de transiciones determinar la estabilidad de Wl c (s) para K (1 + T1 s) Wl c (s) = s (T2 s 1) con T1 ; T2 > 0 y K > 0 Ejercicio 4.11 Usar el criterio de estabilidad de Nyquist para determinar si los sistemas con las siguientes funciones de transferencia en lazo abierto son estables a. Wl

a

(s) =

10 (1+s)(1+2s)(1+3s)

b. Wl

a

(s) =

10 s(1+s)(1+10s)

c. Wl

a

(s) =

10 s2 (1+0:1s)(1+0:2s)

d. Wl

a

(s) =

2 s2 (1+0:1s)(1+10s)

Ejercicio 4.12 La con…guración de polos y ceros de una función de transferencia en lazo cerrado Wl c (s) viene dada en la …gura 4.35a.

Figura 4.35: Ubicación polos y ceros para el problema 4.12

a. Calcular la banda pasante del sistema, o ancho de banda, AB. b. Si se añade un cero a la función de transferencia como se muestra en la …gura 4.35b, como queda modi…cada AB?

172

Criterios de Estabilidad

c. Si se añade a la con…guración de la …gura 4.35b un polo sobre el eje real negativo, pero a una distancia 10 veces mayor que la del cero, como queda afectado AB? Ejercicio 4.13 La especi…cación dada para un servo sistema de segundo orden es que el sobrepaso máximo de la respuesta a un escalón unitario no exceda del 25 %. Cuales son los valores límites correspondientes del coe…ciente de amortiguamiento y del factor de resonancia Mv ? Ejercicio 4.14 La función de transferencia de un servosistema en lazo cerrado es Wl

c

(s) =

1 C (s) = R (s) (1 + 0:01s) (1 + 0:05s + 0:01s2 )

a. Trazar la curva de respuesta en frecuencia del sistema en lazo cerrado. b. Determinar el factor de resonancia Mv y la frecuencia de resonancia ! v del sistema. c. Determinar el coe…ciente de amortiguamiento y la frecuencia propia no amortiguada ! n del sistema de segundo orden que produce el mismo Mv y la misma ! v que el sistema original. Ejercicio 4.15 La función de transferencia en lazo abierto de un servosistema con realimentación unitaria es Wl

a

(s) =

K (1 + T s) s (1 + s) (1 + 0:01s)

Determinar el menor valor posible de T para que el sistema tenga un margen de amplitud in…nito. Ejercicio 4.16 La función de transferencia en lazo abierto de un servosistema con realimentación unitaria es Wl

a

(s) =

K s (1 + s) (1 + s)

a. Determinar el valor de K para que el facor de resonancia Mv del sistema sea igual a 1:4.

4.6 Ejercicios propuestos

173

b. Determinar el valor de K para que el margen de amplitud del sistema sea de 20 dB. c. Determinar el valor de K para que el margen de fase del sistema sea de 60o . Ejercicio 4.17 Para un sistema de segundo orden Wl

a

(s) =

a. Gra…que el diagrama de Bode. b. Determine Mv y ! v .

16 s (2 + s)

174

Criterios de Estabilidad

Capítulo 5 Acciones básicas de control Un sistema de control automático, …gura 5.1, compara el valor efectivo de salida (c (t)) de una planta con el valor deseado (r (t)), determina la desviación (e (t)) y produce una señal de control (m (t)) que reduce la desviación a cero o a un valor pequeño. La forma en que el control automático produce la señal de control (m) recibe el nombre de acción de control. En este capítulo se presentan las acciones de control básicas usadas comunmente en los controles automáticos industriales y sus efectos en el funcionamiento de un sistema.

Figura 5.1: Sistema de control en lazo cerrado

5.1.

Clasi…cación automáticos

de

los

controles

Los sistemas de control automático se clasi…can segun su acción de control: 1. Controles de dos posiciones (on-o¤). 175

176

Acciones básicas de control

2. Controles proporcionales (P). 3. Controles integrales (I). 4. Controles proporcionales e integrales (PI). 5. Controles proporcionales y derivativos (PD). 6. Controles proporcionales, integrales y derivativos (PID).

5.2.

Controles de dos posiciones

Aquí el controlador tiene solamente dos posiciones …jas. Son generalmente dispositivos eléctricos en donde habitualmente hay una válvula accionada por un solenoide eléctrico. También los controladores proporcionales con muy altas ganancias actúan como controles de dos posiciones. Si m (t) es la salida del controlador y e (t) es la señal de error actuante: m (t) =

M1 ; M2 ;

e (t) > 0 e (t) < 0

(5.1)

Generalmente M2 = M1 o M2 = 0. En la …gura 5.2 se presenta el diagrama de bloques correspondiente al esquema de control de dos posiciones.

Figura 5.2: Control de dos posiciones En la práctica m (t) no cambia instantáneamente cunado e (t) = 0, y así el rango en que e (t) se debe desplazar antes de que se produzca la conmutación se llama brecha diferencial o histéresis como se muestra en la …gura 5.3. La brecha diferencial hace que la señal de control m (t) mantenga su valor hasta que la señal de error haya pasado ligeramente del valor cero. Por

5.2 Controles de dos posiciones

177

Figura 5.3: Brecha diferencial o histéresis

lo tanto, la brecha diferencial evita la acción excesivamente frecuente del mecanismo de dos posiciones. Considere el sistema de control de la …gura 5.4.

Figura 5.4: Control de dos posiciones de un sistema de nivel de líquido

La ecuación diferencial que relaciona la salida que se desea controlar, h, con la variable de control, qi , sin considerar el controlador es: C

dh 1 + h = qi dt R

(5.2)

Si se considera ahora el controlador de dos posiciones en el cual la válvula de entrada está abierta (qi = Q) o cerrada (qi = 0), la respuesta del sistema h (t), se puede obtener resolviendo la ecuación (5.2) con las siguientes condiciones:

178

Acciones básicas de control

1. h (0) = 0, qi (t) = Q s , 0

t

t1

h (t1 ) = h2 , qi (t) = 0, t1

t

t2

h (t2 ) = h1 , qi (t) = Q s , t2

t

t3

y así sucesivamente. La …gura 5.5 muestra h (t) en función del tiempo.

Figura 5.5: Respuesta h (t) del sistema de la …gura 5.4 con control de dos posiciones La …gura 5.6 muestra el diagrama de bloques del sistema.

Figura 5.6: Control de dos posiciones de un sistema de nivel de líquido

De la respuesta del sistema h (t) se nota que se puede reducir la amplitud de la oscilación de la salida si se reduce la brecha diferencial. Esto, sin embargo, aumenta la cantidad de conmutaciones por minuto y reduce la vida útil del componente.

5.3 Acción de control proporcional (P)

5.3.

179

Acción de control proporcional (P)

En la …gura 5.7 se muestra el diagrama de bloques de un sistema de control proporcional. En este caso, la señal de control m (t) es proporcional al error e (t):

Figura 5.7: Acción de control proporcional

m (t) = Kp e (t)

(5.3)

donde Kp es la ganancia proporcional ajustable, ó M (s) = Kp E (s)

(5.4)

Con el …n de estudiar los efectos de la acción proporcional en el comportamiento de un sistema, considérese la …gura 5.8.Para el sistema de

Figura 5.8: Control proporcional de una planta con perturbación

la …gura 5.8:

180

Acciones básicas de control

E (s) R (s) C (s) N (s) C (s) R (s)

1 1 + Kp G1 (s) G2 (s) G2 (s) = 1 + Kp G1 (s) G2 (s) Kp G1 (s) G2 (s) = 1 + Kp G1 (s) G2 (s) =

N =0

R=0

N =0

(5.5) (5.6) (5.7)

Si en las ecuaciones (5.4), (5.6) y (5.7) la ganancia proporcional es grande (Kp 1), se tiene E (s) R (s) C (s) N (s) C (s) R (s)

N =0

R=0

N =0

1 !0 Kp G1 (s) G2 (s) 1 !0 Kp G1 (s) Kp G1 (s) G2 (s) !1 = Kp G1 (s) G2 (s)

de forma tal que en el estado estacionario el error tendería a cero, la respuesta debida a la perturbación se atenuaría y la respuesta debida a la referencia tendería a seguirla. Sin embargo, se pueden presentar problemas de estabilidad dependiendo de la ubicación en el plano complejo de los polos del sistema en lazo cerrado. Ejemplo 5.1 Control proporcional de un sistema de primer orden. Fácilmente se puede determinar que la función de transferencia de la planta para la …gura 5.9 es: R H (s) = (5.8) Qi (s) RCs + 1 en donde: H (s) es la salida y Qi (s) es la variable de control. El diagrama de bloques de control proporcional se muestra en la …gura 5.10. Debido al control proporcional se tiene que Qi (s) = Kp [ R (s) H (s)], donde Kp es la ganancia proporcional. Entonces la función de transferencia del sistema en lazo cerrado sería: Kp R

H (s) Kp R Kp R = RCs+1 = = Kp R R (s) RCs + 1 + Kp R T s + 1 + Kp R 1 + RCs+1

(5.9)

5.3 Acción de control proporcional (P)

181

Figura 5.9: Sistema de nivel de líquido

Figura 5.10: Diagrama de bloques de un sistema de control proporcional

donde T = RC es la constante de tiempo de la planta. Si el cambio en la señal de referencia es un escalón unitario se tiene que R (s) = 1s . Y la salida estaría dada por H (s) =

r (t) =

Kp R 1 T s + 1 + Kp R s

s

(t),

(5.10)

Y expandiendo en fracciones parciales se tiene H (s) = H (s) =

Kp R 1 + Kp R Kp R 1 + Kp R

1 s 1 s

T Kp R 1 + Kp R Kp R 1 + Kp R

1 T s + 1 + Kp R 1 s+

1+Kp R T

(5.11)

y al aplicar la tranformada inversa de laplace a la ecuación (5.11) se obtiene h (t) =

Kp R 1 + Kp R

1

e

1 t T1

;

t

0

(5.12)

182

Acciones básicas de control

en donde la constante de tiempo del sistema en lazo cerrado T1 esta dada por RC T = 0, entonces m (t) crece y la salida c (t) aumenta para que el error e (t) = r (t) c (t) disminuya. El integrador Ksi podría afectar grandemente la estabilidad del sistema. Así por ejemplo, si en el sistema de la …gura 5.12 la planta tiene como función de K transferencia s+! con ! > 0 y el polo lejos del eje imaginario en el semiplano KKi complejo izquierdo, la función de transferencia en lazo cerrado s2 +!s+KK i puede tener sus polos ubicados en el plano complejo de modo que la respuesta transitoria es indeseable.

184

Acciones básicas de control

En el control integral de una planta, la señal de control m (t) en cada instante es el área bajo la curva de la señal del error actuante e (t) hasta ese momento. m (t) puede ser diferente a cero cuando e (t) = 0 como se muestra en la …gura 5.13. Lo anterior es imposible en el caso de control proporcional pues una

Figura 5.13: Señales de error y control integrativo señal de control no nula requiere una señal de error actuante como se muestra en la …guraSe hace notar que la acción de control integral, si bien elimina el

Figura 5.14: Señal de error y de control proporcional error de estado estable, puede llevar a una respuesta oscilatoria que aunque amortiguada puede ser indeseable como se muestra en la …gura 5.15. si la planta posee muchos polos la acción de control integral puede inestabilizar completamente el sistema. Ejemplo 5.2 Control integral de un sistema de primer orden. Si en el sistema de la …gura 5.9 se utiliza un control integral, entonces Qi (s) =

Ki Ki E (s) = [ R (s) s s

H (s)]

(5.20)

5.4 Acción de control integral (I)

185

Figura 5.15: Algunas respuestas no aceptables

donde Ki es la ganancia integral. La …gura 5.16 muestra el diagram de bloques de todo el sistema.

Figura 5.16: Control integral del sistema de nivel de líquido de la …gura 5.9

Las funciones de transferencia para la salida y para el error son: K

i H (s) s = R (s) 1 + Ksi

R RCs+1 R RCs+1

=

Ki R Ki R = 2 s (RCs + 1) + Ki R RCs + s + Ki R (5.21)

E (s) = R (s) 1+

1 Ki s

R RCs+1

=

s (RCs + 1) RCs2 + s + Ki R

(5.22)

Nótese que los polos están ubicados en s1;2 =

1 2RC

s

1 2RC

2

Ki C

(5.23)

186

Acciones básicas de control

1 con Ki > 0 el sistema es estable en lazo cerrado. Si 2RC polos estarían dados por s 2 1 Ki 1 s1;2 = j 2RC C 2RC

2

<

Ki C

entonces los

(5.24)

de forma que el sistema es estable pero se presentan oscilaciones. El error de estado estacionario, para una entrada escalón unitario R (s) = se puede obtener al aplicar el teorema de valor …nal ess = l m e (t) = l m sE (s) = l m s t!1

s!0

s!0

s (RCs + 1) RCs2 + s + Ki R

1 =0 s

1 s

(5.25)

Por lo tanto, el control integral del sistema de nivel de líquido elimina el error en estado estacionario en la respuesta al escalón unitario.

5.5.

Acción de control proporcional e integral (PI)

Considere el diagrama de bloques de la …gura 5.17 este tipo de control

Figura 5.17: Control proporcional e integral (PI)

combina las características de los anteriores controles. La acción proporcional Kp ayuda a corregir más rápidamente el error y la acción integral Ki trata de eliminar completamente el error en estado estacionario. con este tipo de control las condiciones de estabilidad se mejoran con respecto al integral puro. Para el diagram de bloques de la …gura 5.17 la ley de control está dada por: Z m (t) = Kp e (t) + Ki e (t) dt

5.5 Acción de control proporcional e integral (PI)

187

y aplicando la transformada de Laplace se tiene

M (s) = Kp E (s) +

Ki E (s) s

Kp s + M (s) Ki C (s) = = Kp + = E (s) s s

Ki Kp

(5.26)

Note que el controlador PI también puede ser interpretado como un controlador integrativo con un cero en s=

Ki Kp

El cero mejora las condiciones de estabilidad como se verá en la siguiente sección. Ejemplo 5.3 Control proporcional e integral. Considere el sistema de la …gura 5.18 con un controlador proporcional e integralPara este sistema:

Figura 5.18: Control PI de un sistema mecánico rotacional con inercia y amortiguador

Kp + C (s) =

Ki s

1 + Kp +

1 s(Js+B) Ki s

1 s(Js+B)

1

E (s) = 1 + Kp +

Ki s

1 s(Js+B)

R (s) +

1 s(Js+B)

1 + Kp + R (s)

Ki s

1 s(Js+B)

1 s(Js+B)

1 + Kp +

Ki s

1 s(Js+B)

N (s)

N (s)

188

Acciones básicas de control

o s Kp s + Ki R (s) + 2 N (s) (Js + B) + Kp s + Ki s (Js + B) + Kp s + Ki (5.27) 2 s s (Js + B) R (s) N (s) E (s) = 2 2 s (Js + B) + Kp s + Ki s (Js + B) + Kp s + Ki (5.28) C (s) =

s2

Considere la entrada y la perturabción de la forma R (s) = Rs0 y N (s) = Ns0 , de esta forma se tiene que la salida css en estado estacionario está dada por css = l m c (t) = l m sC (s) = R0 + 0N0 = R0 t!1

s!0

(5.29)

y el error en estado estacionario esta dado por ess = l m e (t) = l m sE (s) = 0 t!1

s!0

(5.30)

Las ecuaciones (5.29) y (5.30) muestran que: 1. La salida alcaza exactamente el mismo valor de la entrada escalón, a pesar de la perturbación presente. 2. El error en estado estacionario es nulo, a pesar de la perturbación presente.

5.6.

Acción de control derivativo (PD)

proporcional

y

Considere el diagrama de bloques para un sistema de control PD de la …gura 5.20. A partir del diagrama de bloques de la …gura 5.20 se puede deducir la ley de control como de (t) m (t) = Kp e (t) + Kd dt y al aplicar la transformada de Laplace se obtiene M (s) = Kp E (s) + sKd E (s) M (s) = Kp + sKd E (s)

5.6 Acción de control proporcional y derivativo (PD)

189

Figura 5.19: Diagrama de bloques para un controlador PD

Figura 5.20: Diagrama de bloques de una carga inercial con controlador PD

A la acción proporcional se le añade la acción derivativa que aumenta la señal m (t) de tal manera que si el error crece rápidamente, m (t) será grande ayudando a corregir el error en forma más efectiva. Es decir, la acción derivativa se presenta como un efecto anticipativo que impide un crecimiento brusco del error. El control PD es un control estabilizante. Sin embargo, tiene la desventaja de amplicar las señales de ruido. Nunca se tiene acción derivativo sola pues este control es efectivo únicamente durante periodos transitorios. Ejemplo 5.4 Considere un sistema mecánico puramente inercial y con un controlador PD como se muestra en el diagrama de bloques de la …gura 5.20.Para este sistema la función de transferencia en lazo cerrado está dada por: sKd + Kp C (s) = 2 R (s) s J + sKd + Kp Los polos del sistema en lazo cerrado están dados por s 2 Kd Kd Kp s1;2 = (5.31) 2J 2J J Note que si Kp > 0 y Kd > 0 los polos del sistema de la ecuación 5.31 tienen parte real negativa y el sistema es estable. Si r (t) es un escalón unitario,

190

Acciones básicas de control

una posible respuesta oscilatoria amortiguada, c (t), se muestra en la …gura 5.21.Notese que si consideramos únicamente la acción proporcional (Kd = 0)

Figura 5.21: Una posible respuesta para el sistema de la …gura 5.20 los polos del sistema en lazo cerrado están sobre el eje imaginario por lo que la respuesta del sistema a una entrada tipo escalón sería puramente oscilatorio.

5.7.

Acción de control proporcional, integral y derivativo (PID)

Considere el diagrama de bloques para un sistema de control PID de la …gura 5.22.A partir del diagrama de bloques de la …gura 5.22 se tiene como

Figura 5.22: Diagrama de bloques para un sistema de control PID ley de control m (t) = Kp e (t) + Ki

Z

e (t) dt + Kd

de (t) dt

(5.32)

5.7 Acción de control proporcional, integral y derivativo (PID)

191

Al aplicar la transformada de Laplace sobre la ecuación (5.32) se tiene Ki E (s) + sKd E (s) s Ki Kd s 2 + Kp s + Ki M (s) = Kp + + sKd = E (s) s s M (s) = Kp E (s) +

(5.33)

La acción proporcional Kp aumenta la rapidez de la respuesta y actúa solo en el transitorio, ya que al …nal la acción integral Ksi elimina el error de estado estacionario. LA acción derivativa Kd s actúa para mejorar la estabilidad. Cuando hay cambios bruscos (instantáneos) del error e (t) la acción derivativa genera una señal de control muy grande (idealmente un impulso) lo cual conduce a saturaciones. Por esta razón en algunos casos se pre…ere usar la estructura alternativa para el controlador PID como la de la …gura 5.23. La

Figura 5.23: PID con derivada de la salida estructura PID de la …gura 5.23 es una estructura muy utilizada pues en lugar de derivar el error se deriva la salida. Con esto se evita que la planta responda a cambios briuscos de la señal de referencia r (t). La ley de control correspondiente está dada por Z dy (t) (5.34) u (t) = Kp e (t) + Ki e (t) dt Kd dt Ejemplo 5.5 El telescopio del transbordador espacial. El telescopio para seguir estrellas y asteroides del transbordador espacial se puede modelar como una masa M = 100 Kg. Está suspendido por medio

192

Acciones básicas de control

de actuadores magnéticos que producen una fuerza u (t). El cable que le suministra energía eléctrica se modela como un resorte de constante K = 1N ew=m, como se muestra en la …gura 5.24a. Diseñe un controlador PID (de

Figura 5.24: Telescopio del transbordador espacial acuerdo al diagrama de bloques de la …gura 5.24b) tal que el error en estado estacionario sea ess = 0:01 para una entrada rampa unitaria r (t) = t y que tenga un par de polos complejos como se muestra en la …gura 5.24c además de un tercer polo real p.De la …gura 5.25a se tiene

Figura 5.25: Diagramade cuerpo libre y diagrama de bloques para el sistema físico de la …gura 5.24a.

u

z=M

d2 z dt2

(5.35)

Transformando (5.35) se tiene Z (s) 1 = (5.36) 2 U (s) Ms + K De la …gura 5.25b se tiene la función de transferencia en lazo cerrado del sistema Z (s) Kd s 2 + Kp s + Ki = (5.37) R (s) M s3 + Kd s2 + (Kp + K) s + Ki

5.7 Acción de control proporcional, integral y derivativo (PID)

193

y la función de transferencia del error s (M s2 + K) E (s) = R (s) M s3 + Kd s2 + (Kp + K) s + Ki Con ess = 0:01 para una entrada rampa unitaria R (s) =

1 , s2

(5.38) se tiene

s (M s2 + K) R (s) M s3 + Kd s2 + (Kp + K) s + Ki s (M s2 + K) 1 E (s) = M s3 + Kd s2 + (Kp + K) s + Ki s2

E (s) =

1 s2 (M s2 + K) 3 2 s!0 M s + Kd s + (Kp + K) s + Ki s2

ess = l m e (t) = l m sE (s) = l m t!1

s!0

de donde ess = 0:01 =

K Ki

Así, Ki =

K = 100 0:01

(5.39)

La ecuación (5.37) se puede escribir como: Kd 2 i s + KMp s + K Z (s) M M = R (s) s3 + KMd s2 + (KpM+K) s +

Ki M

De esta forma, el polinomio característico del sistema en lazo cerrado es a (s) = s3 +

Kd 2 (Kp + K) Ki s + s+ M M M

(5.40)

que de acuerdo con la ubicación de los polos de la …gura 5.24c es: p p ! p p ! 2 2 2 2 a (s) = s + +j s+ j (s + p) 2 2 2 2 o a (s) = s3 +

p

2 + p s2 + 1 +

p

2p s + p

(5.41)

194

Acciones básicas de control

comparando las ecuaciones (5.40) con (5.41) se tiene Ki =1 M p Kd 2+p = M p (Kp + K) 1 + 2p = M p =

Así Kd = 100

p

2+1

Kp = 100

p

2+1

(5.42) 1

(5.43)

Ejemplo 5.6 Sistema PID hidromecánico. La …gura 5.26 muestra un controlador PID hidromecánico para un sistema de nivel de líquido.

Figura 5.26: Sistema PID hidromecánico

5.7 Acción de control proporcional, integral y derivativo (PID)

195

Nótese que a1 h b a2 z2 = h b a3 z3 = h b Como la carga del servomotor hidráulico es despreciable, entonces: z1 =

z6 (s) =

K1 a2 H (s) K1 z2 (s) = s b s

(5.44) (5.45) (5.46)

(5.47)

Del amortiguador y el resorte: B (z_3

z_4 ) = Kz4

(5.48)

Transformando la ecuación (5.48): z4 (s) =

Bs s a3 z3 (s) = H (s) Bs + K s+1 b

B . en donde = K El desplazamiento de la válvula es

d3 d4 z5 + z6 d3 + d4 d3 + d4

z= Además

d1 d2 z1 + z4 d1 + d2 d1 + d2 Reemplazando la ecuación (5.48) en (5.47) y luego usando (5.33), (5.44) y (5.46), se obtiene z5 =

z (s) = Kp H (s) +

Ki s H (s) + Kd H (s) s s+1

donde d4 d1 a1 (d3 + d4 ) (d1 + d2 ) b d3 K1 a2 = (d3 + d4 ) b d4 d2 a3 = (d3 + d4 ) (d1 + d2 ) b

Kp = Ki Kd

196

Acciones básicas de control

Entonces el caudal de entrada se puede calcular como qi = Ci es una constante.

Ci z (s), donde

Ejemplo 5.7 Sistema PID neumático.

Figura 5.27: PID Neumático p p Con P1 constante, 'in = K1 P1 P2 , '0 = K2 x P2 , P0 = K y Kg constante de los gases ideales y con la temperatura T de los fuelles constante, el sistema de la …gura 5.27 se comporta como un controlador PID.De las

Figura 5.28: Diagrama de cuerpo libre para puntos de masa cero

5.7 Acción de control proporcional, integral y derivativo (PID)

197

…guras 5.28a y 5.28b, se tiene:

Kf

A c P 2 = Kc y z + A f P i = Af P D

de donde Ac P2 Kc Af z = ( PD Kf

(5.49)

y =

Pi )

(5.50)

Además 1 ( e z) 2 P0 Pi = R1 P0 PD = R2 P2 = Rin

x = 'i 'D 'in donde

1 = Rin

(5.51) (5.52) (5.53) (5.54)

K p 1 2 P1 P20

También: '0 = Kx x + Kp2 P2

(5.55)

donde: p Kx = K2 P20 K2 x Kp2 = p 2 P20 Para la presión de salida P0 =

K y

La diferencia de ‡ujos es 'in

'0 =

dM2 dt

(5.56)

198

Acciones básicas de control

donde M2 es la masa del gas en el volumen V2 . Con la ley de los gases V2 el volumen especí…co y T la temperatura absoluta: P 2 v 2 = Kg T , v 2 = M 2 P2 V2 Kg T = C2 P2 + Kv2 V2

M2 = M2

Donde las constantes C2 y Kv2 son: V20 Kg T P20 = Kg T

C2 = Kv2 suponiendo T constante. Con V2 = Ac y, se tiene 'in

'0 = C2

De la misma manera, como 'in =

d y d P2 + Kv2 Ac dt dt

dMi dt

y 'D =

(5.57)

dMD : dt

d Pi d z + Kvi Af dt dt d PD d z = CD + KV D A f dt dt

'in = Ci

(5.58)

'D

(5.59)

donde Vi0 Kg T VD0 = Kg T

Ci = CD

Pi0 Kg T PD0 = Kg T

Kvi = KV D

con las ecuaciones (5.54), (5.55) y (5.49) en (5.57) y utilizando la transformada de Laplace con condiciones iniciales nulas: P2 (s) = x (s)

K2 1 + 2s

5.7 Acción de control proporcional, integral y derivativo (PID)

199

donde K2 =

2

=

1 Rin

Kx + Kp2

C2 + 1 Rin

Generalmente la constante de tiempo P2 (s)

Kv2 A2c Kc

+ Kp2 es muy pequeña y:

2

(5.60)

K2 x (s)

además: K2

1

Con las ecuaciones (5.52), (5.50) en (5.58) y transformando: ( i s + 1) Pi (s) =

P0 (s) +

0 Ds

(5.61)

PD (s)

Y con las ecuaciones (5.53), (5.50) en (5.59) y transformando: (

Ds

+ 1) PD (s) =

0 is

P0 (s) +

(5.62)

Pi (s)

donde: i

=

D

=

Kvi A2f R1 Kf KV D A2f CD + R2 Kf

0 D

Ci +

= 0 D

Kvi A2f R1 Kf KV D A2f R2 = Kf

De (5.61) y (5.62): + 0D ) s (s) 1 + ( i + 0i ) s PD (s) = (s) Pi (s) =

1+(

D

(5.63) (5.64)

donde A2f (s) = Ci CD + (Ci KV D + CD KV i ) s2 + ( Kf

i

+

D) s

+1

200

Acciones básicas de control

Figura 5.29: Diagrama de bloques de un PID neumático

Con las ecuaciones (5.51), (5.60), (5.49), (5.56), (5.62) obteniendo el diagrama de bloques de la …gura 5.29. Y como [1 + ( i + 0i )] [1 + ( D + 0D )] = Ci R1 CD R2 Ac entonces la …gura 5.29 se puede dibujar con K 0 = 12 ( K2 ) K ( K) como se c 0 muestra en la …guradonde K 1 porque K2 1.

Figura 5.30: Diagrama de bloques simpli…cado

Así:

P0 (s) e (s)

KP +

KI + KD s s

5.8 Ejercicios propuestos

201

donde Kf ( i + D ) Af (Ci R1 CD R2 ) Kf = Af (Ci R1 CD R2 ) h i A2 Kf Ci CD + Kff (Ci KV D + CD KV i ) = Af (Ci R1 CD R2 )

KP = KI

KD

5.8.

Ejercicios propuestos

Ejercicio 5.1 La función de transferencia de una planta es C (s) 100 = 2 U (s) s + 10s + 100 Diseñar un controlador proporcional e integral (PI) de modo que cuando la referencia sea una rampa unitaria, el error en estado estacionario sea 0:01. Justi…car el valor seleccionado para cada una de las ganancias del PI. Ejercicio 5.2 La temperatura x (t) en un horno eléctrico es descrita por la ecuación diferencial dx (t) = dt

2x (t) + u (t) + w2 (t)

en donde u (t) es la señal de control y w2 (t) es una perturbación debida a las pérdidas por calor. Se desea que la temperatura x (t) siga la señal de referencia w1 (t). Encontrar las ganancias proporcional Kp e integral Ki de un controlador proporcional e integral (PI) de modo que todas las raices de la ecuación característica en lazo cerrado estén en 10. Hallar las respuestas de x (t) para t 0 cuando w1 (t) es un escalón unitario con condiciones iniciales nulas. Ejercicio 5.3 Considere el sistema de nivel de líquido de la …gura 5.31con R1 = R2 = R3 = 1, y C1 = C2 = 1. Y donde y (t) es la salida (nivel de líquido), u (t) es la variable de control (caudal), y n (t) es una perturbación (nivel).

202

Acciones básicas de control

Figura 5.31: Sistema de nivel de líquido del problema 5.3

a. Obtener las ecuaciones de estado y de salida para el problema de la …gura 5.31 y su función de transferencia. b. Determinar valores y/o condiciones en las ganancias de controlador tipo PI, de modo que el error en estado estacionario para una señal de referencia rampa unitaria sea 0:01. Hacer un diagrama de bloques del sistema en lazo cerrado. Ejercicio 5.4 Una planta tiene como función de transferencia: Gp (s) =

1 (2s + 1) (s

1)

encontrar condiciones en las ganancias proporcional, Kp > 0, y derivativa Kd > 0, de un controlador PD de modo que el sistema sea estable en lazo cerrado. Ejercicio 5.5 Considere el sistema con función de transferencia en lazo abierto dada por 1 Hl a (s) = (s + 2) (s 3) diseñe un controlador PID tal que el sistema sea estable en lazo cerrado con error de estado estacionario ess = 0 y con un polo de multiplicidad 3 en a (con a > 0).

5.8 Ejercicios propuestos

203

Ejercicio 5.6 El modelo matemático de una planta que se quiere controlar es el siguiente x_ 1 = x_ 2 =

2x2 2u (t)

donde u (t) es la señal de control y la salida es y (t) = x1 . Las siguientes son las condiciones para el diseño del controlador: - No se admiten oscilaciones (ni siquiera amortiguadas) en la salida cuando la referencia es un escalón unitario. - El error de estado estacionario para una referencia del tipo escalón debe ser nulo. - La magnitud de todos los polos en lazo cerrado debe ser 2. Para cada uno de los siguientes controladores justi…car la viabilidad y hacer el diseño respectivo: a. Proporcional (P) b. Proporcional y derivativo (PD) c. Proporcional e integral (PI) Ejercicio 5.7 Considere el sistema de control de la …gura 5.32 con Ra = 10 , La 0 KT = 10 oz in=A: constante de torque N1 1 Ka = 50, n = = N2 100 Kb = 0:0706 V =rad=seg: constante de fem inducida Ks = 1 V =f t, JL = 10 oz in seg 2 : inercia de la carga Jm = 0:005 oz in seg 2 : inercia de la carga A = 50 f t2 : área del tanque, R = 0:02 seg=f t2 Fricción del motor y la carga despreciables El número de válvulas conectadas al tanque de reserva es N = 8. Todas las válvulas tienen las mismas características y son controladas simultáneamente por c . Así el caudal de entrada es qi (t) = Ki N c (t) donde Ki = 10 f t3 = (seg rad).

204

Acciones básicas de control

Figura 5.32: Sistema de control para el sistema del ejercicio 5.7

a. De…nir las variables de estado de la planta como x1 = h, x2 = m , y x3 = _ m . Siendo la variable de control ei (t), plantear las ecuaciones de estado de la planta (sin el controlador). b. Hallar la función de transferencia de la planta en lazo cerrado (incluyendo el controlador), suponiendo un controlador proporcional con ganancia Kp . Hacer un diagrama de bloques. c. Determinar la estabilidad del sistema y el error de estado estacionario para una referencia rampa unitaria si Kp es i. 1. ii. 2. Ejercicio 5.8 Considere el sistema con controlador integral mostrado en la …gura 5.33. a. Encontrar la ganancia Ki del controlador integral tal que se tenga error de estado estacionario nulo para una referencia del tipo escalón unitario si K0 = 1.

5.8 Ejercicios propuestos r

+

205 Ki s

−

u

y

K0 4s + 1

Figura 5.33: Diagrama de bloques del ejercicio 5.8.

b. Estimar la respuesta transitoria para un escalón unitario y calcular el tiempo de crecimiento tr , el tiempo de establecimiento ts y el máximo sobrepaso Mp . Ejercicio 5.9 Considere el sistema con controlador proporcional mostrado en la …gura 5.34. r

K1

+

u −

K2

K0 4s + 1

y

Figura 5.34: Diagrama de bloques del ejemplo 5.9.

a. Encontrar las ganancias K1 y K2 del controlador tal que se tenga error de estado estacionario nulo para una referencia del tipo escalón unitario si K0 = 1. b. Estimar la respuesta transitoria para un escalón unitario y calcular el tiempo de crecimiento tr , el tiempo de establecimiento ts y el máximo sobrepaso Mp . Ejercicio 5.10 Considere el sistema de la …gura 5.35. Se debe diseñar un controlador para que la salida y (t) siga la entrada de referencia r (t). a. Sea = 1. Se tienen dos posibles controladores: un controlador proporcional D1 (s) = K o un controlador integral D2 (s) = Ks donde

206

Acciones básicas de control r

+

−

Di (s )

u

y

10 (s + 1)(s + 10)

β

Figura 5.35: Diagrama de bloques del ejemplo 5.10.

K es una constante. Se debe seleccionar el controlador (incluyendo el valor de K) tal que el error de estado estacionario para una referencia 1 . del tipo escalón unitario sea menor de 10 b. Suponga que debido a variaciones paramétricas, el valor de decae a = 0:9. Encuentre el error de estado estacionario para una entrada rampa unitaria usando el controlador diseñado en la parte (a). c. Encuentre si es posible el valor de K para el controlador diseñado en la parte (a) tal que para = 0:9 y con una entrada rampa unitaria se 1 y veri…que la respuesta tenga un error de estado estable menor de 10 del sistema para una entrada escalón unitario. Ejercicio 5.11 Un diagrama simpli…cado de un proceso químico es mostrado en la …gura 5.36 con un controlador C (s). Diseñe si es posible un controlador PID tal que se obtenga un error de estado estable igual a cero y donde la parte real de las raices del sistema en lazo cerrado sea menor o igual a 5. r

+

−

C (s )

u

2 (s + 1) s 2 + s + 3

(

)

y

0.2 s+6

Figura 5.36: Diagrama de bloques del ejercicio 5.11.

Capítulo 6 Diseño de sistemas de control en el espacio de estados Este capítulo presenta métodos de diseño basados en modelos internos del sistema, denominados por reubicación de polos desde el punto de vista de la realimentación de estado. En lugar de realimentar la salida del sistema y (t), se realimenta el vector de estado del sistema x (t), ya que el vector de estado resumen toda la información actual del sistema. La realimentación de las variables de estado puede ser usada para modi…car las frecuencias naturales del sistema, y en particular, hacerlas todas estables, siempre y cuando la realización usada para de…nir los estados del sistema sea controlable por realimentación de las variables de estado, es decir la matriz de controlabilidad C de la realización fA; B; Cg tenga rango n. El hecho de que el diseño se formula en términos de obtener un sistema en lazo cerrado con los polos especi…cados se conoce como reubicación de polos. Incialmente, para el caso de realimentación de las variables de estado, se supone que todas las variables de estado son medidas y que las perturbaciones son impulsos ampliamente espaciados. A través de la realimentación lineal de las variables de estado se pueden resolver dos problemas fundamentales: el problema de regulación y el problema de seguimiento. El problema de regulación consiste en llevar todos los estados del sistema a cero, mientras que el problema de seguimiento consiste en que el sistema siga una referencia. Se discute el problema de reconstruir o estimar los estados a partir de las salidas medidas y las entradas aplicadas. Aquí es necesario veri…car que la 207

208

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

realización usada para de…nir los estados del sistema sea observable, es decir que la matriz de observabilidad O de la realización fA; B; Cg tenga rango n. El problema de estimación de estados se realiza a través de observadores. Combinando los observadores con la realimentación de estados , se obtiene una solución al problema de regulación para el caso de realimentación de estados. También se analiza el caso de perturbaciones más generales, considerándolas como salidas de sistemas dinámicos cuyas entradas son impulsos. Así, se pueden tratar casos clásicos de perturbaciones tales como: escalones, sinusoides, etc.. Aquí, se diseñan observadores especí…cos para estimar las perturbaciones y compensar su efecto en el sistema dinámico. Luego se discute el problema de seguimiento, el cual se formula en el espacio de estados. Combinando este resultado, con los anteriores se obtiene un controlador que puede seguir señales de referencia y rechazar perturbaciones que actúan sobre el sistema. La estructura del controlador obtenida es muy interesante, ya que las diferentes tareas del controlador son separadas en forma natural.

6.1.

Regulación estados

por

realimentación

de

Considere un sistema dinámico descrito por la ecuación (6.1) (6.1) (6.2)

x_ (t)= Ax (t) +Bu (t) y (t)= Cx (t) con el polinomio característico: a (s) = det (sI

A) = sn + a1 sn

1

+

+ an 1 s + an

(6.3)

Se desea modi…car el sistema dado, mediante realimentación de las variables de estado, para obtener un nuevo sistema con valores propios especi…cados, o en otras palabras, para obtener un polinomio caracterítico deseado (s). Es decir, (s) = sn + 1 sn 1 + + n 1s + n (6.4) Para tal …n se utiliza como señal de control una realimentación lineal ponderada de las variables de estado de la forma u (t) =

Kx (t)

(6.5)

6.1 Regulación por realimentación de estados

209

donde K es llamada la matriz de ganancias de realimentación. El uso de u (t) = Kx (t) en lugar de u (t) = Kx (t) es puramente convencional, ya que la realimentación es usualmente negativa. Al reemplazar la ecuación (6.5) en la ecuación (6.1) se obtiene x_ (t) = Ax (t) BKx (t) x_ (t) = (A BK) x (t)

(6.6)

Este esquema de regulación se observa en la …gura 6.1.

Figura 6.1: Reubicación de polos por realimentación de variables de estado El sistema dinámico resultante de la ecuación (6.6) tiene como polinomio característico: aK (s) = det (sI A + BK) El objetivo es seleccionar los valores de K tal que aK (s) = (s). Estos valores existen únicamente si el sistema de la ecuación (6.1) es controlable, es decir, si la matriz de controlabilidad C de la realización fA; B; Cg tiene rango n.

6.1.1.

Cálculo de la ganancia de realimentación

Se presentará a continuación el caso general para el cálculo de la ganancia de realimentación. La solución del problema de reubicación de polos será dada para sistemas con una señal de entrada u (t). Considere un modelo de espacio de estados descrito por la ecuación (6.7). x_ (t) = Ax (t) +Bu (t) y (t) = Cx (t)

(6.7) (6.8)

210

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

y con polinomio característico a (s) dado por la ecuación 6.3 y supóngase que la matriz de controlabilidad C es de rango n, es decir, el sistema es controlable. El sistema puede ser transformado a la forma canónica controller a través de la transformación xc (t) = Tx (t) descrita en la sección 2.14; la ecuación de estado transformada es (6.9)

x_ c (t) = Ac xc (t) +Bc u (t)

donde Ac y Bc son las matrices del sistema en la forma canónica controller de la forma 2 3 2 3 a1 a2 an 1 6 1 7 607 0 0 6 7 6 7 Ac = 6 .. (6.10) .. 7 , Bc = 6 .. 7 . . . . 4 . 4.5 . . . 5 0 1 0 0

Los coe…cientes del polinomio característico a (s) dado por la ecuación (6.3) aparecen explícitamente en esta expresión. Si Kc es el vector de ganancia de realimentación para la forma canónica controller dado por Kc = Kc1 Kc1

Kcn

y con u (t) =

Kc xc (t)

entonces al reemplazar en la ecuación (6.9) se tiene x_ c (t) = (Ac

Bc Kc ) xc (t)

de forma que

Ac

2

6 6 Bc Kc = 6 4

(a1 + Kc1 ) 1 .. . 0

(a2 + Kc2 ) 0 .. .. . . 1

3 (an + Kcn ) 7 0 7 7 .. 5 . 0

donde el polinomio característico del sistema en lazo cerrado estaría dado por det (sI

Ac + Bc Kc ) = sn + (a1 + Kc1 ) sn

1

+

+ (an + Kcn )

(6.11)

6.1 Regulación por realimentación de estados

211

y al comparar con el polinomio caracterítico deseado (s) de la ecuación (6.4) los valores Kc quedan determinados en términos de los coe…cientes 1 , 2 , . . . , n y a1 , a2 , . . . , an como Kci =

(6.12)

ai

i

Para obtener la matriz de ganancia de realimentación K para el modelo de espacio de estados descrito por la ecuación (6.7), se tiene u (t) =

Kc xc (t) =

Kc Tx (t)

de donde (6.13)

K = Kc T

y puesto que la matriz de transformación T de acuerdo a la ecuación (2.143) está dada en términos de las matrices de controlabilidad por T = Cc C

1

donde Cc es la matriz de controlabilidad de la forma canónica controller dada por la realización fAc ; Bc g, entonces de la ecuación (6.13) la matriz de ganancias está dada por K = Kc Cc C

1

=

1

a1

2

a2

n

an Cc C

1

(6.14)

Esta ecuación se puede expresar de una forma ligeramente diferente como: K= 0 0

1 C

1

(A)

(6.15)

1 C 1 es la última …la de C 1 y (A) es la matriz A donde 0 0 evaluada en el polinomio deseado (s). La ecuación (6.15) es llamada fórmula de Ackerman.

6.1.2.

Realimentación de estado y los ceros de la función de transferencia

Se ha demostrado que mediante la realimentación del estado se puede cambiar el denominador de la función de transferencia de a (s) a cualquier polinomio mónico (s) del mismo grado. Se analizará ahora el efecto sobre los ceros b (s).

212

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

Una manera simple es suponer que la realización es de tipo controller fAc ; Bc ; Cc g. Nótese que después de realimentar el vector de estados la realización es fAc Bc Kc ; Bc ; Cc g, por lo que la función de transferencia está dada por Y (s) b (s) = R (s) (s) Es decir, la realimentación del estado no afecta los ceros de la función de transferencia, a menos por supuesto, que estos sean cancelados por la selección adecuada del nuevo polinomio del denominador (s). Esto resuelve el problema de los ceros ubicados indeseablemente (limitaciones en las características de fase y atraso del sistema).

6.2.

Perturbaciones

Es altamente deseable manejar otras perturbaciones diferentes a impulsos, o equivalentes a estados iniciales perturbados. Una manera de hacer esto es considerar perturbaciones que son generadas por impulsos enviados a sistemas dinámicos. De esta manera, es posible obtener muchos tipos de perturbaciones tales como escalones o sinusoides. Para se especí…cos, supóngase que el sistema es descrito por x_ (t) = Ax (t) +B (u (t) + v (t)) es decir x_ (t) = Ax (t) +Bu (t) + Bv (t)

(6.16)

donde v (t) es una perturbación descrita por !_ (t) = A! ! (t) v (t) = C! ! (t) con condiciones iniciales dadas. La matriz A! típicamente tiene valores propios sobre el eje imaginario o en el semiplano complejo derecho. Un caso común es cuando la perturbación v (t) es una constante. Ésta se obtiene con A! = 0, C! = 1 Otro caso es el de perturbaciones sinusoidales, que corresponde a A! =

0 !0 , C! = 1 0 !0 0

6.2 Perturbaciones

213

y un caso combinado con perturbación senoidal y perturbación constante, estaría dado por 2 3 0 !0 0 A! = 4 ! 0 0 05 , C! = 1 0 1 0 0 0

El sistema completo incluyendo la perturbación puede ser descrito como x_ (t) = Ax (t) +Bu (t) + BC! ! (t) !_ (t) = A! ! (t)

(6.17) (6.18)

La …gura 6.2 muestra el diagrama de bloques de una planta con perturbación correpondiente a las ecuaciones (6.17) y 6.18.

Figura 6.2: Sistema con perturbación generalizada

Ahora, se de…ne el vector de estado aumentado: x !

(6.19)

214

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

de forma tal que las ecuaciones (6.17) y (6.18) se pueden reescribir usando (6.19) como x_ A BC! = !_ 0 A!

x B + u ! 0

(6.20)

Así, se tiene un problema de la misma forma que el problema básico de reubicación de polos. Hay, sin embargo, una diferencia importante: el sistema (6.20) no es completamente controlable. Los polos asociados con la descripción de la perturbación, es decir, los valores propios de A! , no pueden ser afectados completamente por la realimentación. Esto es muy natural, ya que las perturbaciones son variables exógenas que no están in‡uenciadas por el control. Si se considera que la perturbación v (t) es medible, se puede de…nir la realimentación lineal de estado como u (t) = u (t) =

Kx (t) Kx (t)

K! v (t) K! C! ! (t)

(6.21) (6.22)

La ley de control de la ecuación (6.22) al reemplazarla en las ecuaciones (6.17) y (6.18) genera el siguiente sistema en lazo cerrado: x_ (t) = (A BK) x (t) + (B x_ (t) = (A BK) x (t) + (B !_ (t) = A! ! (t)

BK! ) C! ! (t) BK! ) v (t)

(6.23) (6.24) (6.25)

que expresa como el sistema en lazo cerrado es in‡uenciado por el control. Nótese que la ley de control en la ecuación (6.21) se puede interpretar como una combinación de un término de realimentación Kx (t) y un término en lazo directo de las perturbaciones medidas K! v (t). Si la realización fA; Bg es controlable, se puede encontrar la matriz de realimentación K tal que la matriz del sistema en lazo cerrado (A BK) tenga valores propios especi…cados. De esta forma, el término de la solución que es causado por los valores iniciales decae adecuadamente. La matriz A! no puede ser in‡uenciada por la realimentación. El efecto de la perturbación sobre el vector x (t) en la ecuación(6.24) puede ser reducido por una selección adecuada de K! , el cual debe ser escogido de forma tal que la matriz B BK! sea cercana a cero, o cero. Por ejemplo, para que B BK! = 0 se debe seleccionar K! = 1:

6.3 Observadores

6.3.

215

Observadores

Es poco realístico suponer que todos los estados de un sistema pueden ser medidos, particularmente si las perturbaciones son parte del vector de estado, como en la ecuación (6.20). Por esto, es necesario determinar los estados de la realización, a partir de medidas disponibles: entrada u (t) y salida y (t), y de un modelo. Para tal …n es necesario que el sistema sea observable, es decir, que la matriz de observabilidad asociada con la realización fA; B; Cg tenga rango n. O, si el sistema incluye las perturbaciones en el vector de estado, la realización asociada a las ecuaciones (6.20) y (6.2) debe ser observable. De esta forma, un observador de estado es un sistema dinámico que permite estimar las variables de estado x (t) con base en las mediciones del vector de salida y (t) y del vector de entrada u (t).

6.3.1.

Observador en lazo abierto

Considérese el sistema (6.7). Supóngase que el estado x (t) es aproximado por el estado x ~ (t) de un modelo dinámico de la forma x ~_ (t) = A~ x (t) +Bu (t)

(6.26)

el cual tiene la misma entrada que el sistema (6.7). Si el modelo es perfecto en el sentido que los elementos de las matrices A y B son idénticos a los del sistema (6.7) y si las condiciones iniciales son las mismas, entonces el estado x ~ del modelo (6.26) será idéntico al estado x del sistema real (6.7) y la salida estimada y~ (t) = C~ x (t)

(6.27)

también será idéntica a y (t). Si las condiciones inciales son diferentes, entonces x ~ convergerá a x sólo si el sistema (6.26) es estable asintóticamente. La …gura 6.3 muestra el observador en lazo abierto descrito por las ecuaciones (6.26) y (6.27).La estimación con la ecuación 6.26 da el estado como una función de las entradas pasadas. Sin embargo, la estimación se puede mejorar utilizando también las salidas medidas. Esto puede ser hecho introduciendo realimentación de la diferencia entre las salidas medidas y (t) y las estimadas y~ (t).

216

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

Figura 6.3: Observador en lazo abierto

6.3.2.

Observador completo

Considere el observador en lazo abierto de la ecuación (6.26). Si se incluye la diferencia entre la salida medida y la estimada y (t) y~ (t) en la ecuación (6.26), se obtiene x ~_ (t) = A~ x (t) +Bu (t) + L (y (t) y~ (t)) (6.28) o x ~_ (t) = A~ x (t) +Bu (t) + L (y (t)

C~ x (t))

(6.29)

en donde L es una matriz de ganancias. Nótese que el término de realimentación L (y (t) C~ x (t)) no contribuye si la salida estimada por el modelo y~ (t) coincide excatamente con las medidas. Para determinar la matriz L se introduce el error de estimación de las variables de estado como x ~e (t) = x (t)

x ~ (t)

(6.30)

6.3 Observadores

217

y restando la ecuación (6.29) de (6.7) se tiene x_ (t) x ~_ (t) = Ax (t) +Bu (t) A~ x (t) Bu (t) L (y (t) _ x_ (t) x ~ (t) = A (x (t) x ~ (t)) L (y (t) C~ x (t))

C~ x (t)) (6.31)

y reemplazando la ecuación (6.8) en (6.31) se tiene x_ (t) x ~_ (t) = A (x (t) x ~ (t)) x_ (t) x ~_ (t) = (A LC) (x (t) x ~_ e (t) = (A LC) x ~e (t)

L (Cx (t) x ~ (t))

C~ x (t)) (6.32)

Si L se escoge de tal manera que el sistema de la ecuación 6.32 sea asintóticamente estable, entonces el error de estimación x ~e (t) siempre convergerá a cero. Así, introduciendo realimentación de las medidas en la estimación, es posible hacer que el error tienda a cero, aún si el sistema (6.7) es inestable. El sistema en (6.29) es llamado un observador completo o simplemente un observador para el sistema (6.7), ya que produce el estado del sistema a partir de medidas de las entradas y las salidas. La …gura 6.4 muestra el diagrama de bloques correspondiente al sistema (6.7) con el observador (6.29). Falta ahora encontrar una manera deseable para escoger la matriz L de manera que el sistema 6.29 sea estable. Dadas las matrices A y C, el problema es encontrar una matriz L tal que la matriz A LC tenga valores propios especi…cados. Ya que una matriz y su transpuesta tienen los mismos valores propios, el problema es el mismo que encontrar una matriz LT tal que AT CT LT tenga valores propios especi…cados. sin embargo, este problema fue resuelto en la sección 6.1.1. Si se trasladan aquellos resultados, se encuentra que el problema puede ser resuelto si la matriz de observabilidad transpuesta h i T OT = CT AT CT (An 1 ) CT tiene rango total (rango n). El resultado se puede expresar de la siguiente manera. Considere el sistema de la ecuación (6.7). Sea (s) un polinomio de grado n, en donde n es el orden del sistema. Suponiendo que el sistema es completamente observable, entonces existe una matriz L tal que la matriz A LC del observador (6.29) tenga polinomio característico (s). Cálculo de la ganancia del observador La determinación de la matriz L en el observador (6.29) es el mismo problema matemático para determinar la matriz de realimentación K en el problema

218

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

Figura 6.4: Observador completo para el sistema (6.7)

de reubicación de polos. La selección de los polos del observador es un compromiso entre la sensitividad a los errores de la medida y la recuperación rápida de los errores iniciales. Un observador rápido convergerá rápidamente, pero también será sensitivo a los errores de medida. La determinación de la matriz L es el problema dual de hallar la matriz de ganancias K para reubicación de polos por realimentación de variables de estado. Este problema es resuelto por la fórmula de Ackerman, utilizando las relaciones K ! LT , C ! OT , A ! AT , B = CT De la ecuación (6.15) se obtiene que L es dada por LT = 0 0

1

OT

1

AT

(6.33)

6.3 Observadores

219

o también L=

(A) O

1

0 0

1

T

(6.34)

El polinomio característico de A LC es entonces (s). La dualidad con el problema de reubicación de polos también implica que L es especialmente simple para determinar si el sistema está en forma canónica observer.

6.3.3.

Observador de orden reducido

En el modelo de espacio de estados de las ecuaciones (6.1) y 6.2 es posible conocer algunas de las variables del vector de estado x (t) directamente. Por tanto, se puede diseñar un observador de estado de orden reducido, donde se estimen únicamente las variables de estado restantes. Sean x1 : x2 :

vector de estado que se puede medir directamente vector de estado que no se puede medir directamente

entonces, se puede dividir el modelo de espacio de estados de la siguiente manera B1 A11 A12 x1 x_ 1 u (t) (6.35) + = B2 A21 A22 x2 x_ 2 y con la ecuación de salida y (t) = C1 0

x1 x2

(6.36)

donde C1 debe ser cuadrada y no singular, por lo que es posible obtener x1 directamente con la relación x1 = C1 1 y y cuando las variables de estado correponde directamente a la salida del sistema, entonces C1 = I. A partir de la ecuación (6.35) se pueden escribir las ecuaciones para x1 y x2 como x_ 1 = A11 x1 + A12 x2 + B1 u x_ 2 = A21 x1 + A22 x2 + B2 u

(6.37) (6.38)

y de la ecuación (6.37) se puede obtener la ecuación de salida como x_ 1

A11 x1

B1 u = A12 x2

(6.39)

220

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

donde los términos x_ 1 A11 x1 B1 u corresponden a cantidades conocidas. La ecuación (6.38) se puede reescribir como (6.40)

x_ 2 = A22 x2 + A21 x1 + B2 u

donde los términos A21 x1 + B2 u son cantidades conocidas. La ecuación 6.38 describe la dinámica de cambio de las variables que no pueden ser medidas directamente. Para estas variables se puede formular un observador como x ~_ 2 = A22 x ~2 + A21 x1 + B2 u + Lr y ^

^ x2 C~

(6.41)

donde Lr es la ganancia de realimentación para el observador de orden reducido, y ^ son las variables conocidas de la ecuación (6.39) dadas por y ^ = x_ 1

A11 x1

(6.42)

B1 u

^ = A12 . Se tiene entonces la ecuación para el observador de orden y con C reducido como x ~_ 2 = A22 x ~2 + A21 x1 + B2 u + Lr (x_ 1

A11 x1

B1 u

(6.43)

A12 x ~2 )

Reescribiendo la ecuación (6.43) se tiene x ~_ 2 = (A22

Lr A12 ) x ~2 + A21 x1 + B2 u + Lr (x_ 1

A11 x1

B1 u)

(6.44)

donde los términos A21 x1 + B2 u + Lr (x_ 1 A11 x1 B1 u) son conocidos. Sin embargo, en la ecuación 6.44 se tiene el término x_ 1 . Para eliminarlo, se reescribe la ecuación (6.44) como x ~_ 2

Lr x_ 1 = (A22

Lr A12 ) x ~2 + (A21

Lr A11 ) x1 + (B2

y se le suma y se le resta el término (A22 la cual se reescribe como x ~_ 2

Lr B1 ) u (6.45)

Lr A12 ) Lr x1 a la ecuación (6.45)

Lr x_ 1 = (A22 Lr A12 ) (~ x2 Lr x1 ) + [(A21 Lr A11 ) + (A22 Lr A12 ) Lr ] x1 + (B2

Ahora, si se hace el cambio de variable, ~ = x ~2 ecuación (6.46) como ~_ = (A22 Lr A12 ) ~ + [(A21 Lr A11 ) + (A22

(6.46) Lr B1 ) u

Lr x1 , se puede plantear la

Lr A12 ) Lr ] x1 + (B2

(6.47) Lr B1 ) u

6.3 Observadores

221

La ecuación (6.47) describe la dinámica del observador de orden reducido, donde el vector de estados x ~ (t) puede ser estimado como I 0 x + x ~ 0 1 I 2

x ~ (t) =

(6.48)

Si se de…ne el error de estimación como x ~e = x ~2

(6.49)

x2 = ~

se tiene que la dinámica del error está dada por x ~_ e = (A22

(6.50)

Lr A12 ) x ~e

y donde Lr puede ser calculada de acuerdo a la ecuación (6.34) para el sistema dual AT22 AT12 LTr . En la …gura 6.5 se muestra el diagrama de bloques del observador de orden reducido.

6.3.4.

Regulación con un observador completo

A partir del vector de estado estimado x ~ (t) es posible generar una ley de control de la forma u (t) = K~ x (t) (6.51) de forma tal, que al reemplazar la ley de control (6.51) en la ecuación de estado (6.7) se obtiene x_ (t) = Ax (t) +Bu (t) x_ (t) = Ax (t) BK~ x (t)

(6.52)

Si se reescribe esta ecuación como x_ (t) = Ax (t) BK~ x (t) + BKx (t) x_ (t) = (A BK) x (t) + BK (x (t)

BKx (t) x ~ (t))

(6.53)

y reemplazando en (6.53) la ecuación (6.30), se tiene x_ (t) = (A

BK) x (t) + BK~ xe (t)

(6.54)

y con la ecuación (6.54) y la ecuación (6.30) se puede escribir el sistema aumentado de la forma x_ (t) A BK BK = 0 A LC x ~_ e (t)

x (t) x ~e (t)

222

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

Figura 6.5: Diagrama de bloques del sistema con observador de orden reducido

y donde la ecuación característica del sistema aumentado está dada por det sI

A

BK BK 0 A LC

= det (sI

A + BK) det (sI

A + LC)

donde se observa que la dinámica del observador es completamente independiente de la dinámica del observador. La …gura 6.6 muestra el diagrama de bloques de un sistema de regulación con observador completo.

6.3.5.

Observador de perturbaciones

Considere el sistema de la ecuación (6.20) con ecuación de salida dada por y (t) = C 0

x !

6.3 Observadores

223

Figura 6.6: Realimentación de variables de estado con observador completo

Es poco realista asumir que la perturbación puede ser medida, de forma tal que para poder compensar la perturbación de acuerdo a la ecuación 6.21 es necesario calcular la perturbación v~ (t) a partir de la estimación de ! ~ (t). Nótese que el estado de la perturbación ! es observable pero no controlable. Para esto, se diseña un observador completo aumentado, de la forma x ~_ A BC! = _! 0 A! ~

x ~ B L + u+ (y (t) ! ~ 0 L!

C~ x (t))

(6.55)

donde el observador para la perturbación está dado por ! ~_ = A! ! ~ + L! (y (t) donde v~ (t) = C! ! ~

C~ x (t))

(6.56)

224

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

y el observador de estados por x ~_ = A~ x + BC! ! ~ + Bu (t) + L (y (t)

C~ x (t))

(6.57)

Considere la ley de control (6.21) en términos del vector de estados estimado y la perturbación estimada como u (t) = u (t) =

K~ x (t) K~ x (t)

K! v~ (t) K! C! ! ~

entonces al reemplazar la ley de control en el sistema (6.57) se tiene x ~_ = A~ x + BC! ! ~

BK~ x (t)

BK! C! ! ~ + L (y (t)

C~ x (t))

(6.58)

y con K! = 1 se tiene x ~_ = A~ x

BK~ x (t) + L (y (t)

C~ x (t))

que corresponde al mismo observador completo sin perturbaciones cuando se realimenta con el vector de estados. Adicionalmente, al reemplazar la ley de control en la ecuación (6.17) se tiene x_ (t) =Ax (t)

BK~ x (t)

BK! C! ! ~ + BC! ! (t)

(6.59)

Las ecuaciones para el sistema en lazo cerrado (6.58) y 6.59 dan un conocimiento profundo del comportamiento del sistema. La matriz K asegura que el estado x tiende a cero a la velocidad deseada después de una perturbación. Una selección adecuada de la ganancia K! reduce el efecto de la perturbación v (t) sobre el sistema por alimentación directa de las perturbaciones estimadas ! ~ . Esta acción de control por alimentación directa es particularmente efectiva si la matriz B BK! se puede hacer igual a cero. Las ganancias del observador L y L! in‡uyen en la velocidad a la cual los errores de estimación tienden a cero. Estas últimas se pueden hallar del sistema aumentado (6.55) usando la ecuación para el cálculo de las ganancias del observador dada por (6.34). En la …gura 6.7se muestra el diagrama de bloques correspondiente a un sistema de regulación con observador de perturbaciones y con ganancia K! = 1.

6.3 Observadores

225

Figura 6.7: Diagrama de bloques de un sistema con regulación, observador completo y observador de perturbaciones

Ejemplo 6.1 Considere un modelo de espacio de estados dado por A = C =

2 15 1 ;B = 1 0 0 0 1

el cual tiene los polos en s = 5, s = 3. Y con una perturbación senoidal con amplitud 1 y con frecuencia ! 0 = 2:5. Diseñe un regulador por realimentación de variables de estado tal que los polos deseados sean s = 5, s = 3. Diseñe también un observador de estados y un observador de perturbación. Utilice Matlab y Simulink para hacer los cálculos. Se de…nen inicialmente las matrices de estado

226

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

A=[-2 15; 1 0] B=[1;0] C=[0 1] Se veri…ca que el sistema sea controlable calculando la matriz de controlabilidad y mirando si ésta tiene rango total co=ctrb(A,B) rank(co) Dado que el rango de la matriz de controlabilidad es 2, entonces se calcula, usando la fórmula de Ackerman, las ganancias de realimentación tal que los polos se encuentren en s = 5, s = 3. k=acker(A,B,[-5,-3]) obteniendo como vector de ganancias K = 6 30 Se calculan las matrices para la dinámica de la perturbación teniendo en cuenta que es una perturbación senoidal como Aw=[0 2.5;-2.5 0] Cw=[1 0] Se calculan las matrices aumentadas para el observador de estados y perturbaciones de acuerdo a (6.55) como a_e=[A B*Cw;zeros(2,2) Aw] b_e=[B;0] c_e=[C 0 0] Se veri…ca que el sistema aumentado sea observable calculando el rango de la matriz de observabilidad ob=obsv(a_e,c_e) rank(ob) Dado que el rango es 4 se calculan las ganancias para el observador y el observador de perturbaciones en el sistema dual teniendo en cuenta que los polos sean más rápidos que los del sistema en lazo cerrado como

6.3 Observadores

227

L1=acker(a_e’,c_e’,[-10,-6,-4,-5]) Se separan las ganacias correspondientes al observador de estados y al de perturbaciones L=L1(1:2) Lw=L1(3:4) obteniendo 186:75 23 703:75 64:375

L = L! =

Se construye un diagrama de bloques en Simulink con los valores calculados para las matrices como se observa en la …gura 6.8. Si se asumen como

u

y x' = Ax+Bu y = Cx+Du salida

State -Space

w

v K*uvec

1 s

K*uvec

Cw

v estimado

Lw *uvec Aw K*uvec L

u *uvec

1 s

B

*uvec C

K*uvec A K*uvec K

x estimado

Figura 6.8: Diagrama de bloques en Simulink para el ejemplo 6.1 1 las repuestas obtenidas para la salida, los 0 estados estimados, y la perturbación estimada del sistema se observan en las …guras 6.9 (a), (b) y (c) respectivamente.

condiciones iniciales x0 =

228

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

(a)

0.1

y

0 -0.1

0

5

10

15

x_1^ x_2^

0.2 (b)

20

0 -0.2 -0.4

0

5

10

15

20

4 (c)

v^ 2 0 0

5

10 Tiempo

15

20

Figura 6.9: (a) Salida del sistema y, (b) estados estimados x ~, (c) perturbación estimada v~ (t).

6.4.

Sistemas de seguimiento

Hasta ahora se ha discutido el problema del regulador. El cirterio ha sido eliminar las perturbaciones y conducir los estados del sistema a cero. El problema de seguimiento o problema del servo, es otro problema prototipo importante, en donde el objetivo es hacer que los estados y las salidas del sistema respondan a señales de referencia de una manera especí…ca.

6.4.1.

Ganancia del sistema en lazo cerrado

Considere entonces un sistema como el de la …gura 6.6. Una manera simple de obtener la respuesta deseada a una señal de referencia es reemplazar la

6.4 Sistemas de seguimiento ley de control u (t) =

229

K~ x (t) por u (t) =

(6.60)

K~ x (t) + Kc r (t)

donde r (t) es la señal de referencia. De esta forma, el sistema completo en lazo cerrado estaría dado por x_ (t) y (t) x ~_ (t) u (t)

= Ax (t) +Bu (t) = Cx (t) = A~ x (t) +Bu (t) + L (y (t) = K~ x (t) + Kc r (t)

C~ x (t))

El diagrama de bloques simpli…cado para el sistema en lazo cerrado de la …gura 6.6 que incluye la ecuación (6.60) se muestra en la …gura 6.10.

Figura 6.10: Diagrama de bloques simpli…cado para un modelo simple de seguimiento con regulación y observador completo

Reemplazando u (t) y considerenado el error de estimación x ~e (t) = x (t) x ~ (t) se tiene x_ (t) = (A BK) x (t) + BK~ x (t) + BKc r (t) _x ~e (t) = (A LC) x ~e (t) y (t) = Cx (t)

(6.61)

Nótese que el error de estimación del observador x ~e (t) no es afectado por el valor de r (t). Esto tiene sentido, ya que sería altamente indeseable introducir

230

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

señales de referencia de tal manera que causaran errores en el observador. De la ecuación (6.61) la función de transferencia del sistema en lazo cerrado es Y (s) = Hl R (s)

c

(s) = C (sI

A + BK)

1

BKc = Kc

b (s) (s)

De esta forma, con el …n de que en estado estable la salida del sistema y (t) tienda al valor de referencia r (t), y asumiendo que r (t) = r es un comando de referencia constante, es necesario que Kc =

(0) b (0)

con la condición de que b(0) 6= 0, es decir, la función de transferencia en (0) lazo abierto no debe tener ceros en el origen. Pero como se demostró antes, los ceros de Hl c (s) son los mismos ceros de la función de transferencia del sistema original b (s) H (s) = C (sI A) 1 B = a (s) ! 0 a una velocidad determinada por los valores propios De esta forma, x (t)t!1 ! r a esa misma velocidad. Así, si la de A BK, y por lo tanto y (t)t!1 referencia r es cambiada lo su…cientemente lento, el anterior esquema puede desarrollar un trabajo razonable de seguimiento. Este mismo esquema de seguimiento se puede aplicar en un sistema con observador completo y observador de perturbaciones como se observa en la …gura 6.11.

Ejemplo 6.2 En la línea que conecta el centro de la tierra con el centro de la luna hay un punto L1 , como se muestra en la …gura 6.12, en donde la fuerza de atracción de la tierra sobre un satélite (en una órbita alrededor de la tierra con el mismo periodo de la orbita de la luna) es exactamente igual a la fuerza de atraación de la luna más la fuerza centrífuga. sin embargo, este punto de equilibrio es inestable como se verá. Después se demostrará que usando realimentación de estado, a través de un pequeño motor de reacción, un satélite en ese punto puede ser estabilizado. Las ecuaciones dinámicas para pequeñas desviaciones del punto de equilibrio se puede demostrar que son x• 2! y_ 9! 2 x = 0 y• + 2! x_ + 4! 2 y = u

6.4 Sistemas de seguimiento

231

Figura 6.11: Esquema de control con observador completo y observador de perturbaciones

Figura 6.12: Diagrama del ejemplo 6.2

en donde x : perturbación radial y : perturbación de la posició acimutal u = F=m! 2 F : fuerza del motor en la dirección y m : masa del satélite 2 rad/dia ! = 29 1. Con u = 0, demostrar que el punto de equilibrio es inestable. 2. Para estabilizar el sistema usar realimentación de las variables de estado: u = K1 x K2 x_ K3 y K4 y_

232

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados Determinar los Ki de modo que el sistema en lazo cerrado tenga los polos en s1 = 3!, s2 = 4!, s3 = ( 3 j3) !.

3. Diseñar un controlador con la anterior realimentación y con una entrada de referencia para la posición y. 4. Explicar poque un controlador como el anterior para la posición x no puede ser diseñado para el satélite. Utilizando como variables de estado x, x, _ y y y, _ entonces: 2 3 2 3 0 1 0 0 0 69! 2 7 6 7 0 0 2! 7 607 A =6 ; B = 4 0 405 0 0 15 0 2! 4! 0 1 La ecuación característica es

a (s) = det (sI

A) = s4

! 2 s2

36! 4

cuyas raices de determinan con p p !2 1 145 ! 4 + 144! 4 !2 2 = s = 2 2 por lo tanto los valores propios son: f 2:35!; j2:55!g y el sistema es claramente inestable. Como el sistema es controlable, ya que la matriz de controlabilidad C (A; B) es no singular (det C = 36! 4 ), se pueden reubicar los valores propios por realimentación de las variables de estado. El polinomio característico deseado es (s) = (s + 3!) (s + 4!) (s + 3 + j3!) (s + 3 j3!) (s) = s4 + 13!s3 + 72! 2 s2 + 198! 3 s + 216! 4 Por comparación de coe…cientes de los polinomios a (s) y K1 = 157:5! 2 ; K2 = 50:5!; K3 =

(s) se obtiene

28! 2 ; K4 = 13!

6.4 Sistemas de seguimiento

233

Como la salida es y (t) entonces C= 0 0 1 0 Calculando la función de transferencia en lazo cerrado en cero se tiene Hl

c

(0) = C ( A + BK)

1

B=

1 24! 2

con la ganancia de realimentación K = 157:5! 2 50:5!

28! 2 13!

Entonces la ganancia para seguimiento Kc está dada por Kc =

24! 2

y la ley de control para ese caso sería u (t) =

Kx (t)

24! 2 r (t)

Si se quiere diseñar un controlador para la salida x, entonces se tiene que C= 1 0 0 0 y si se calcula la función de transferencia en lazo cerrado en cero se obtiene Hl

c

(0) = C ( A + BK)

1

B =0

para todo valor de K. Así, es imposible encontrar una entrada de referencia r (t) para ajustar cualquier valor deseado de x.

6.4.2.

Realimentación integral de la salida

El principio básico del sistema de seguimiento con acción integral consiste en incluir un integrador a la salida del comparador entre el vector de referencia r (t) y el vector de salida y (t), para obtener una integral de la señal de error y sumarlo a la señal de control correspondiente a la realimentación lineal de las variables de estado, como se muestra en la …gura 6.13.

234

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

Figura 6.13: Servo con acción integral

El sistema mostrado en la …gura 6.13 está descrito por el siguiente modelo de espacio de estados x_ (t) y (t) x_ r (t) u (t)

= Ax (t) +Bu (t) = Cx (t) = r (t) Cx (t) = Kx (t) + Ki xr

(6.62) (6.63) (6.64) (6.65)

donde xr corresponde a la salida del integrador (integral del error x_ r ) y se considera como una variable de estado adicional. Se asume que el modelo de espacio de estados dado en la ecuación (6.62) es completamente controlable y que no tiene ceros en el origen. Para obtener las ganancias de realimentación de la acción integral y del vector de estados original, se aumneta el modelo de espacio de estados, así x_ (t) = x_ r (t)

A 0 C 0

x (t) B 0 + u (t) + r (t) xr (t) 0 I

donde se debe diseñar un sistema que sea asintóticamente estable tal que x (t), xr (t), y u (t) se aproximen a valores constantes cuando t ! 1. Entonces en estado estable xr (t) = 0 y se obtiene y (t) = r (t). Si se de…ne ^ = A

A 0 ^ B x (t) ;B = ;x ^= C 0 0 xr (t)

Se tiene que el diseño del servo con acción integral se convierte en el diseño de un regulador de orden n + p con p el número de salidas para el sistema aumentado dado por ^ x + Bu ^ x ^_ = A^ (6.66)

6.4 Sistemas de seguimiento

235

donde el vector de control está de…nido por u=

^x K^

(6.67)

^ de…nido como con K ^ = K K

Ki

Si se reemplaza el vector de control de la ecuación (6.67) en (6.66), el sistema en lazo cerrado se convierte en ^ x ^_ = A

^K ^ x B ^

^ de acuerdo Este modelo aumnetado se utiliza para el cálculo de la ganancia K a lo presentado en la sección 6.1.1, para lo cual se debe garantizar que el sistema aumentado sea controlable. Usualmente no se conoce el vector de variables de estado completamente, por lo que es necesario utilizar un observador para la estimación de x (t). En este caso el vector de control de la ecuación (6.65) se puede reescribir como u (t) =

K~ x (t) + Ki xr

En la …gura 6.14 se muestra el esquema del servo con realimentación integral usando un observador de estados. De manera similar, es posible incluir un observador de perturbaciones de acuerdo a la ecuación (6.56) en el sistema de la 6.14 para mejorar el desempeño del sistema frente a perturbaciones rápidas. Sin embargo, frente a perturbaciones constantes o más lentas que la dinámica del sistema, la acción integral elimina el error en estado estable, por lo que no es necesario el observador de perturbaciones.

6.4.3.

Controlador de dos grados de libertad

Los sistemas de control prácticos a menudo tienen especi…caciones que involucran propiedades del servo y de regulación. Esto es resuelto tradicionalmente utilizando una estructura de dos grados de libertad, como se muestra en la …gura Esta con…guración tiene la ventaja de que los problemas de servo y de regulación son separados. El controlador de realimentación Hf b se diseña para obtener un sistema en lazo cerrado que es insensible a perturbaciones

236

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

Figura 6.14: Servo con acción integral usando un observador de estados

del proceso. El compensador en el lazo directo Hf f es diseñado para obtener las propiedades del servo deseado. Se mostrará como resolver el problema del servo en el contexto de la realimentación de estado. En un diseño de espacio de estados es natural suponer que el comportamiento del servo se especi…ca en términos de un modelo que da la respuesta deseada de la salida o las variables de estado a cambios en la señal de comando. Esto se puede especi…car con el modelo x_ m (t) = Am xm (t) + Bm r (t) ym (t) = Cm xm (t)

(6.68) (6.69)

Es entonces natural usar la ley de control u (t) = uf b (t) + uf f (t)

(6.70)

donde uf b (t) = K (xm (t)

x ~ (t))

(6.71)

en donde xm es el estado deseado y uf f es una señal de control que da la salida deseada cuando es aplicada al sistema en lazo abierto. Las coordenadas se deben escoger de manera que los estados del sistema y del modelo sean compatibles. En aplicaciones actuales es útil a menudo escogerlas de modo que las componentes del estado tengan buenas interpretaciones físicas.

6.4 Sistemas de seguimiento

237

Figura 6.15: Diagrama de bloques de un sistema de realimentación con una estructura de dos grados de libertad

El término uf b = K (xm x ~) representa la realimentación y uf f representa la señal de control en lazo directo. La ecuación (6.70) tiene una buena interpretación física. La señal en el lazo directo uf f producirá idealmente la variación en el tiempo deseada en el estado del proceso. Si el estado del proceso estimado x ~ es igual al estado deseado xm , la señal de realimentación K (xm x ~) es cero. Si hay una diferencia entre x ~ y xm , la realimentación generará acciones correctivas. El término de realimentación puede ser visto como una generalización de la realimentación del error en sistemas de control ordinario, ya que el error representa desviaciones de todas las variables de estado y no solo los errores de las salidas. Un diagrama de bloques del sistema se muestra en al …gura 6.16.

Figura 6.16: Un controlador con dos grados de libertad basado en realimentación del estado y un observador

238

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

Dado el modelo (6.68), es directo generar los estados deseados. Falta discutir la generación de la señal uf f . Sean las funciones de transferencia del proceso y del modelo H (s) y Hm (s) respectivamente, entonces, si la señal uf f (t) =

Hm (s) r (t) H (s)

(6.72)

pudiera ser generada, se obtendría el resultado deseado; varias condiciones se requieren para esto. El modelo Hm (s) debe ser estable, el exceso de polos del modelo no debe ser menor que el exceso de polos del proceso, y ceros inestables del proceso, también deben ser ceros del modelo. En el caso de una entrada y una salida, la generación de uf f es particularmente simple si el orden y los ceros del modelo y del proceso son los mismos. Supóngase que H (s) =

b (s) a (s)

y b (s) am (s)

Hm (s) = entonces la ecuación (6.72) se reduce a uf f (s) =

a (s) r (s) = am (s)

1+

(a1

a1m ) sn 1 + + (an anm ) n n 1 s + a1m s + + anm

r (s) (6.73)

y, si el modelo de referencia 2 a1m a2m 6 1 0 6 6 1 Am = 6 0 6 . .. 4 .. . 0

tiene forma canónica controller, asi 3 2 3 a(n 1)m anm 0 7 607 6 7 .. 7 ... ... 7 7 . 7 ; Bm = 6 607 7 . 4 .. .. 05 .. 5 . . 0 0 1 0

(6.74)

a1m a2

(6.76)

y donde la matriz de salida del modelo Cm = C: Se sigue entonces de la ecuación (6.73) que uf f (t) = r (t) + Cf f xm (t) (6.75) en donde Cf f = a1

a2m

an

anm

6.4 Sistemas de seguimiento

239

y donde es el inverso de la ganancia del modelo de referencia en estado estable, asi am (0) (6.77) = b (0) Una vez obtenida la solución en forma cerrada, se puede obtener otras representaciones por transformación de las variables de estado. A menudo es útil introducir no linealidades en la trayectoria de alimentación directa de modo que el sistema no sea conducido muy severamente en repuesta a las señales de referencia. Ya que la señal uf f se usa principalmente para lograr que el sistema se mueva rápidamente en la dirección correcta, también es posible usar modelos aproximados del proceso; las desviaciones pequeñas son mejoradas fácilmente por la realimentación. Es posible incluir el observador de perturbaciones en la ley de control de la ecuación (6.71) de la forma uf b (t) = K (xm (t)

x ~ (t))

v~ (t)

(6.78)

tal como se observa en el diagrama de bloques de la …gura 6.17. Se debe tener en cuenta que para realizar la diferencia xm (t) x ~ (t) es necesario que las variables de estado estimadas x ~ (t) se encuentren en la misma forma que las del modelo de referencia. Si el modelo de referencia está en forma canónica controller, entonces se debe incluir la matriz de transformación T; de la sección 2.14, a la salida del observador. Adicionalmente, se debe modi…car el valor de la ganancia de realimentación K para que esté en la misma forma canónica. Esto se puede hacer a partir de la ecuación (6.13) al reemplazar K como KT 1 . El controlador de la …gura 6.17 captura muchos aspectos de un problema de control, tales como atenuación de la perturbación de carga, reducción de los efectos del ruido en la medida, y seguimiento de la señal de comando. Las respuestas a las perturbaciones de carga, señales de referencia y ruido en la medida son separadas completamente. La respuesta a la señal de comando se determina por el modelo de referencia. La respuesta a las perturbaciones y ruidos en la medida es afectada por el observador y la realimentación de estado. Ella no puede ser ajustada por las matrices K, L y Lw . El hecho de que todos los estados estimados sean comparados con los del comportamiento deseado, da una buena posibilidad para ejercer control preciso.

240

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

Figura 6.17: Diagrama de bloques de un controlador general que combina seguimiento por modelo con realimentación de los estados y de la perturbación

Ejemplo 6.3 Considere un modelo de espacio de estados del ejemplo 6.1dado por A = C =

2 15 1 ;B = 1 0 0 0 1

el cual tiene los polos en s = 5, s = 3. Y con una perturbación senoidal con amplitud 1 y con frecuencia ! 0 = 2:5 y perturbación constante . Diseñe un controlador de dos grados de libertad con regulador por realimentación de variables de estado tal que los polos deseados sean s = 5, s = 3. Diseñe también un observador de estados y un observador de perturbación. Considere para el modelo de referencia un sistema con los polos en s1;2 = 2 j5. Utilice Matlab y Simulink para hacer los cálculos. De manera similar al ejemplo 6.1, se de…nen inicialmente las matrices de estado A=[-2 15; 1 0] B=[1;0] C=[0 1] Se veri…ca que el sistema sea controlable calculando la matriz de controlabilidad y mirando si ésta tiene rango total co=ctrb(A,B) rank(co)

6.4 Sistemas de seguimiento

241

Dado que el rango de la matriz de controlabilidad es 2, entonces se calcula, usando la fórmula de Ackerman, las ganancias de realimentación tal que los polos se encuentren en s = 5, s = 3. k=acker(A,B,[-5,-3]) obteniendo como vector de ganancias K = 6 30 Se calculan las matrices para la dinámica de la perturbación teniendo en cuenta que se tiene una perturbación senoidal y una constante, de la forma Aw=[0 0.5 0;-0.5 0 0; 0 0 0] Cw=[1 0 1] Se calculan las matrices aumentadas para el observador de estados y perturbaciones de acuerdo a (6.55) como a_e=[A B*Cw;zeros(3,2) Aw] b_e=[B;0;0;0] c_e=[C 0 0 0] Se veri…ca que el sistema aumentado sea observable calculando el rango de la matriz de observabilidad ob=obsv(a_e,c_e) rank(ob) Dado que el rango es 5 se calculan las ganancias para el observador y el observador de perturbaciones en el sistema dual teniendo en cuenta que los polos sean más rápidos que los del sistema en lazo cerrado como L1=acker(a_e’,c_e’,[-10,-6,-4,-5, -2]) Se separan las ganacias correspondientes al observador de estados y al de perturbaciones L=L1(1:2) Lw=L1(3:5)

242

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

obteniendo L = L! =

238:75 25 8298:8 5703:1 9600

Se de…nen las ecuaciones de estado deseadas para el modelo de referencia a partir de los polos deseados tal que los dos sistemas se encuentren en la misma forma canónica. Puesto que el sistema original está en forma canónica controller, no es necesario utilizar matrices de transformación y se puede diseñar el modelo de referencia en forma canónica controller como sigue P=[-2+j*5; -2-j*5] Polservo=poly(P) Am=[-Polservo(2:3); 1 0] Para que el modelo de referencia tenga los mismos ceros del sistema original se hace Cm = C Cm=C El cálculo de

se hace de acuerdo a (6.77) como

lambda=polyval(Polservo,0)/polyval(Cm,0) tal que Bm de acuerdo a (6.74) es calculado como Bm=[lambda;0] por último, Cf f se obtiene a partir de la primera …la de Am y A como Cff=-A(1,:)+Am(1,:) 1 ; las respuestas 0 correspondientes a la salida del sistema, la señal de control y la estimación de la perturbación se muestran en las …guras 6.18 (a), (b) y (c) respectivamente. Si se asumen como condiciones iniciales x0

=

Y el diagrama de bloques del sistema implementado en Simulink, utilizando un subsistema para el observador de estados y de perturbación, se muestra en la …gura 6.19.

6.4 Sistemas de seguimiento

243

(a)

1

y r

0.5 0

(b)

0

5

10

15

20 0 -20 -40

20

u 0

5

10

15

20 v^

(c)

5

0

0

5

10 Tiempo

15

20

Figura 6.18: Respuesta del sistema de control de dos grados libertad para una entrada de referencia.

244

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados u_ff *uvec lambda

K*uvec

Cff Sine Wave

r

Step

y x' = Ax+Bu y = Cx+Du

*uvec

xm

u_fb

k

Modelo de referencia

x' = Ax+Bu y = Cx+Du

u

State -Space

Add 2

x_est

r,y

Step 1 v

v

u

x_est

y

Observador x y v

Figura 6.19: Diagrama de bloques en Simulink para el ejemplo 6.3

6.5.

Ejercicios propuestos

Ejercicio 6.1 Las ecuaciones de estado y de salida de un sistema son 2 3 2 3 1 2 2 2 4 5 4 0 1 1 x + 05 u x_ = 1 0 1 1 y =

1 1 0 x

Utilizar realimentación de las variables de estado para transferir todos los polos del sistema a 1; 2; y 2. Dibujar un diagrama de bloques para las anteriores ecuaciones y luego adicionar la realimentación requerida. Ejercicio 6.2 Un sistema es descrito por la siguiente ecuación matricial de estado y de salida 2 3 2 3 1 0 0 1 4 5 4 1 0 4 x + 05 u x_ = 0 1 2 0 y =

1 2 1 x

En caso de ser posible, determinar las ganancias en la realimentación de las variables de estado de modo que la función de transferencia del sistema en lazo cerrado muestre un solo polo en -4.

6.5 Ejercicios propuestos

245

Ejercicio 6.3 La función de transferencia de un sistema es G (s) =

(s 1) (s + 2) (s + 1) (s 2) (s + 3)

Será posible cambiar a G (s) =

(s 1) (s + 2) (s + 3)

utilizando realimentación de las variables de estado. Si la respuesta es a…rmativa explicar como. Ejercicio 6.4 Las matrices fA; B; Cg 2 1 0 A = 4 1 0 0 1 C =

1 4 3

de un sistema en lazo abierto son 3 2 3 0 1 45 ; B = 405 4 0

Diseñar un controlador que utiliza realimentación de variables de estado de modo que la función de transferencia del sistema en lazo cerrado muestre solo dos polos en el eje imaginario con ! = 1rad=seg y con un comando de referencia para la salida Ejercicio 6.5 Las matrices fA; B; Cg 2 1 0 4 1 0 A = 0 1 C =

1 1 2

de un sistema en lazo abierto son 3 2 3 0 1 5 4 4 ; B = 05 4 0

Diseñar un controlador, con realimentación de variables de estado y con comando de referencia, de modo que la salida del sistema responda como uno de primer orden y que alcance prácticamente el estado estacionario en 1 segundo. Ejercicio 6.6 En la …gura muestra un sistema de nivel de líquido que se quiere controlaren donde n es una perturbación incontrolable, u es la variable de control y C1 = C2 = 1, R1 = R2 = R3 = 21 . La técnica a utilizar es por

246

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

Figura 6.20: Sistema físico del ejercicio 6.6

realimentación de las variables de estado h1 y h2 , más la realimentación integral del error a través de una ganancia, ya que se desea que la salida h2 siga, en el estado estacionario, a la referencia que es una señal tipo escalón. Diseñar el controlador de modo que las frecuencias naturales del sistema en lazo cerrado estén ubicadas en 10 j10, 10. Hacer un diagrama de bloques donde se muestren explicitamente la planta y la estructura completa del controlador. Solo deben aparecer ganancias, sumadores e integradores. Ejercicio 6.7 Las ecuaciones aproximadas del movimiento de un globo son _ =

1

+u

1

v_ =

1 2

v+

+

1

!

2

h_ = v donde es la desviación (variación) de la temperatura del aire del globo con relación a la temperatura de equilibrio, u es proporcional a la variación en calor adicionando al aire del globo (control), v es la velocidad vertical, h es la variación de altura desde la altura de equilibrio y ! es la velocidad vertical del viento constante, perturbación. a. Pueden , v, h y ! ser observadas por una medida continua de h? Suponer que u es la entrada.

6.5 Ejercicios propuestos

247

b. Es el sistema completamente controlable por u? Es el sistema completamente controlable por !? Ejercicio 6.8 Las ecuaciones de estado y de salida de una planta son z_ =

0 1 z+ 1 0

y =

1 0 z

0 u 1

a. Obtener las frecuencias naturales del sistema. b. Suponer que se tiene acceso a las variables de estado z y diseñar un controlador por realimentación de ellas (u = Kz), de modo que los polos del sistema en lazo cerrado queden ubicados en 0:5 j0:5: Con 0:6 el estado inicial z (0) = y con referencia cero, gra…car z1 = y, 0:35 z2 y la señal de control u. c. Diseñar un observador cuyos polos estén ubicados en 1 j1: Notar que son más rápidos que los polos del sistema en lazo cerrado, pero su…cientemente lentos para ver claramente su efecto en la respuesta del sistema. d. Hacer un diagrama de bloque donde se muestre todo el sistema: la planta y el compensador completo (observador más realimentación de las variables de estado estimadas). e. Con el estado inicial dado anteriormente y con el estado incial de las 0 variables estimadas ~ z (0) = y con referencia cero, gra…car z~1 , z~2 y 0 u = K~ z. Ejercicio 6.9 Las ecuaciones de estado de un oscilador armónico no amortiguado son x_ 1 = x2 x_ 2 = ! 20 x1 + u Utilizando una observación de la velocidad, y = x2 ; diseñar un compensador con observador y reamlimentación de estado para controlar la posición x1 . Colocar los polos del controladro por realimentación de estado en s = ! 0 j! 0 y ambos polos del observador en s = ! 0 .

248

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

Ejercicio 6.10 Considere un sistema con función de transferencia G (s) =

9 s2

9

a. Encuentre las matrices A; B; C para el sistema en forma canónica observable. b. Determine si el sistema es controlable y de ser posible calcule la matriz de ganancias K tal que el sistema en lazo cerrado tenga los polos en s1;2 = 3 j3. c. Determine si el sistema es observable, y de ser posible diseñe un observador de orden completo cuyos polos sean s1;2 = 12 j12. Ejercicio 6.11 Suponga que un motor DC con corriente de alimentación u es conectado a las ruedas de un carro con el …n de controlar el movimiento de un péndulo invertido. Las ecuaciones de movimiento linealizadas y normalizadas del sistema se pueden escribir como • = v_ =

+v+u v u

donde : v : a. Se desea controlar

es el ángulo del péndulo velocidad del carro

por realimentación de u de la forma u=

K1

K2 _

K3 v

Encuentre las ganancias de realimentación tal que p los polos resultantes en lazo cerrado estén localizados en 1; 1 j 3. b. Asuma que y = es la salida medida. Construya un observador de orden reducido para y _ y calcule la ganancia L tal que los polos del observador sean 2 y 2. Ejercicio 6.12 Considere un sistema en espacio de estado con matrices A=

2 0

1 1 ;B = ;C = 1 3 3 1

6.5 Ejercicios propuestos

249

a. Encuentre la ganancia de realimentación K usando la fórmula de Ackermann tal que los polos del sistema en lazo cerrado sean 3 j3. b. Con el …n de que el sistema siga una señal de referencia diseñe un sistema con realimentación integral p de la salida tal que los polos del sistema aumentado sean 3, 2 j 3. Ejercicio 6.13 Considere una función de transferencia de la forma Y (s) 10 = U (s) s (s + 1) a. Asuma que y = x1 y x_ 1 = x2 y encuentre las ecuaciones de estado del sistema. b. Encuentre la ganancia K para realimentación de variables de estado tal que los polos del sistema en lazo cerrado tengan una frecuencia natural de oscilación de ! n = 3 y un coe…ciente de amortiguamiento de = 0:5. c. Diseñe un observador de estados tal que los polos del observador tengan una frecuencia natural de oscilación de ! n = 15 y un coe…ciente de amortiguamiento de = 0:5. d. Determine la función de transferencia del controlador obtenido combinando las partes (a) hasta (c). Ejercicio 6.14 Considere un sistema inercial con función de transferencia G (s) =

1 Js2

y considere que el sistema tiene una perturbación senoidal con frecuencia ! = 10 rad/seg. a. Diseñe un controlador de dos grados de libertad con observador de estado y de perturbaciones tal que la respuesta a condiciones inciales tenga los polos enp 1 y 1 y que el modelo de referencia tenga los p 2 polos en 2 j 22 . b. Simule el sistema en Simulink y veri…que su desempeño.

250

Diseño de sistemas de control en el espacio de estados

Apéndice A Representación en grafos de circuitos eléctricos A continuación se dan las de…niciones básicas referentes a la representación en grafos de circuitos eléctricos. Grá…co: es un esquema en el cual cada elemento (o combinación serie y/o paralelo de los elementos de circuito conectado entre dos nodos independientemente de su naturaleza) se reemplaza por un segmento de línea, que se denomina elemento del grá…co. También se puede de…nir un grá…co como una colección de nodos y segmentos de línea con la condición de que estos se intersecten únicamente en los vertices. Grá…co conectado: aquel en el que hay por lo menos una trayectoria entre dos nodos cualesquiera. Grá…co orientado: aquel en el que cada elemento se numera y se orienta mediante una ‡echa que indica el sentido de la corriente total a través de él. La polaridad del voltaje entre terminales queda automáticamente determinada, según se indica en la …gura A.1 Árbol de un grá…co conectado: es un subgrá…co con las siguientes características a. Contiene todos los nodos. 251

252

Representación en grafos de circuitos eléctricos

Figura A.1: Ramas

b. No contiene trayectorias cerradas. c. Siempre existe una trayectoria entre dos nodos cualesquiera y sólo una. Nótese que puede haber varios árboles para el mismo grá…co conectado como se muestra en la …gura A.2

Figura A.2: Árboles diferentes de un mismo grá…co

Los elementos del grá…co se clasi…can en ramas y enlaces o cuerdas según hagan o no parte del árbol, respectivamente. Sea: N + 1: número total de nodos. B: número total de elementos del grá…co.

253 L: número total de enlaces. Nótese que el árbol contiene N ramas, lo cual se puede demostrar por inducción observando que la primera rama une dos nodos y cada nueva que se adiciona conecta un nuevo vértice y sólo uno. )L=B

N

De las propiedades del árbol se concluye que éste y cada enlace forman un conjunto fundamental de trayectorias cerradas (anillos) linealmente independientes puesto que cada una de ellas contiene un enlace diferente y sólo uno, como se observa en la …gura A.3 (ramas: f1; 2; 3g, enlaces:f4; 5; 6g).

Figura A.3: Gra…co orientado

Corte de un grá…co conectado: es una colección mínima de elementos que cuando se suprimen en el grá…co, éste queda dividido en dos subgrá…cos separados (uno de estos podría estar constituido por un nodo). En el grá…co orientado de la …gura A.4 se pueden identi…car, entre otros, los siguientes cortes: f3; 5; 6; 7g f2; 5; 7; 8; 9g f1; 4; 6; 7; 9g f1; 3; 5; 6; 8g Es importante notar que el número de elemntos del corte debe ser mínimo. Así, por ejemplo, el conjunto f1; 3; 5; 6; 8; 9g no lo es, puesto que el

254

Representación en grafos de circuitos eléctricos

Figura A.4: Grá…co conectado

restablecimiento de cada uno de los elementos del corte debe reunir los dos subgrá…cos separados en uno solo y, en este caso, el número 9 no satisface esta condición. La primera ley de Kirchho¤ (de corriente) se puede generalizar así: ”La suma algebraica de las corrientes a través de los elementos de un corte, en cualquier instante, es nula”. Se acostumbra asignar una orientación a cada corte escogiendo arbitrariamente una dirección para la corriente neta desde un subgrá…co a otro y denotarla mediante una ‡echa en la línea de trazos que representa el corte Puesto que el árbol de un grá…co conectado une todos los nodos, todo corte debe contener, al menos, una rama. Para un árbol dado se puede formar un conjunto único de cortes si cada uno de ellos incluye únicamente una rama. De todo lo anterior se puede concluir: 1. Si se conocen los voltajes en todas las ramas se pueden obtener los voltajes en todos los enlaces aplicando la segunda ley de Kirchho¤ (de voltajes) al conjunto de los L anillos fundamentales o linealmente independientes. Como se conoce la relación entre voltaje y corriente para cada elemento de circuito, el circuito quedaría completamente resuelto. 2. Si se conocen las corrientes en todos los enlaces se pueden obtener las corrientes en todas las ramas aplicando la primera ley de Kirchho¤ al conjunto de los N cortes fundamentales o linealmente independientes. Como se conoce la relación entre voltaje y corriente para cada elemento de circuito, el circuito quedaría completamente resuelto.

255 Por lo tanto un circuito se puede describir en función de: A. Voltajes de rama, aplicando la primera ley de Kirchho¤ en los N cortes fundamentales y expresando las corrientes en función de voltajes. Si éstos son de enlace se expresan en función de los de rama aplicando la segunda ley de Kirchho¤ a los anillos fundamentales. B. Corrientes de enlace, aplicando la segunda ley de Kirchho¤ a los L anillos fundamentales y expresando los voltajes en función de las corrientes. Si éstas son de rama se expresan en función de las de enlace aplicando la primera ley de Kirchho¤ a los cortes fundamentales.

256

Representación en grafos de circuitos eléctricos

Apéndice B Diagramas de Bloques La …gura B.1 muestra un diagrama de bloques general de un sistema en lazo cerrado.

Figura B.1: Sistema en lazo cerrado Se de…ne la función de transferencia directa de un sistema como C (s) = G (s) E (s) y la función de transferencia en lazo abierto como B (s) = Wl E (s)

a

(s) = G (s) H (s)

Nótese que si la función de transferencia de realimentación H (s) es la unidad (H (s) = 1), la función de transferencia en lazo abierto y la directa son iguales. Para el sistema en lazo cerrado se tiene: C (s) = G (s) E (s) = G (s) [R (s)

B (s)] = G (s) [R (s) 257

C (s) H (s)]

258

Diagramas de Bloques

de la cual se halla la función de transferencia en lazo cerrado G (s) C (s) = Wl c (s) = R (s) 1 + G (s) H (s)

B.1.

Reducción de diagramas de bloques

La reducción de un diagrama de bloques complicado a uno más simple se puede llevar a cabo utilizando los diagramas equivalentes que se muestran en la …gura B.2.

Figura B.2: Diagramas equivalentes

Ejemplo B.1 Reducir el diagrama de bloques de la …gura B.3 y obtener la función de transferencia La …gura B.4 y B.5 muestran las diferentes etapas para la reducción del GH diagrama de bloques en donde A = 1 FFGGI , B = 1 F FGI+GHJ . Finalmente, la función de transferencia es C (s) F GH = (B.1) R (s) 1 F GI + GHJ + F GH

B.1 Reducción de diagramas de bloques

259

Figura B.3: Diagrama de bloques del ejemplo B.1

Ejemplo B.2 Reducir el mismo diagrama de bloques de la …gura B.3 de otra manera. La …gura B.6 muestra las diferentes etapas para la reducción del diagrama GH , E = HI 1. de bloques de otra manera, en donde D = 1+GHJ Finalmente se obtiene la misma función de transferencia dada por la ecuación (B.1).

260

Diagramas de Bloques

Figura B.4: Reducción parcial del diagrama de la …gura B.4

Figura B.5: Reducción parcial del diagrama del ejemplo B.1

B.1 Reducción de diagramas de bloques

261

Figura B.6: Otra manera de reducir el diagrama de bloques de la …gura B.3

262

Diagramas de Bloques

Apéndice C Computación analógica La siguiente tabla muestra algunos elementos básicos de cálculo usados en la computación analógica:

Se consideran como elementos especiales el multiplicador y el generador de función. Otro elemento especial , no incluido en la tabla es el derivador que debe ser de tipo …ltrado para evitar la ampli…cación de ruido. Generalmente se utilizan con…guraciones o realizaciones que no incluyan derivadores al hacer 263

264

Computación analógica

la simulación de un sistema para evitar la ampli…cación de ruido.

C.1.

Síntesis de funciones de transferencia

Se muestran a continuación diferentes ejemplos para la solución de ecuaciones diferenciales a través de computación analógica. Ejemplo C.1 Considere la función de transferencia de la forma H (s) =

Y (s) 2 = U (s) s+1

se tiene 2U (s) = (s + 1) Y (s) 2u (t) = y_ (t) + y (t) y_ (t) = 2u (t) + y (t)

C.1 Síntesis de funciones de transferencia

265

Esta ecuación puede ser implementada en el computador análogo de acuerdo al diagrama de bloques de la …gura C.1

Figura C.1: Diagrama de bloques función de transferencia

2 s+1

Ejemplo C.2 Dada la función de transferencia H (s) =

Y (s) 2s + 1 = 2 U (s) s + 3s + 4

se tiene s2 + 3s + 4 Y (s) = U (s) y• (t) = u (t) 3y_ (t)

4y (t)

Esta ecuación puede ser implementada en el computador análogo de acuerdo al diagrama de bloques de la …gura C.2 Ejemplo C.3 Considere un modelo de espacio de estados en forma canónica observer de la forma 2 3 2 3 a1 1 0 b1 A = 4 a2 0 15 ; B = 4b2 5 a3 0 0 b3 C =

1 0 0

El correspondiente diagrama de cálculo analógico se muestra en la …gura C.3

266

Computación analógica

Figura C.2: Diagrama de bloques función de transferencia

2s+1 s2 +3s+4

Por ejemplo, si b3 = 7:5 y a3 = 0:53 el diagrama circuital para el integrador INT1 se muestra en la …gura C.4 Nótese que x3 se puede expresar como x3 =

0:75 100K 1 F

Z

0:53 u (t) dt + 1M 1 F

Z

x1 dt

(C.1)

o x_ 3 =

0:53x1 + 7:5u (t) =

a3 x1 + 7:5u (t)

(C.2)

que corresponde a la tercera ecuación de estado.El circuito para realizar el inversor INV1 se muestra en la …gura C.5

C.2.

Generación de algunas funciones del tiempo

1. Generación de y (t) = t, t0 t tf . Nótese que y_ (t) = 1 y con y (0) = 0 el diagrama correspondiente se muestra en la siguiente …gura

C.2 Generación de algunas funciones del tiempo

267

Figura C.3: Diagrama de cálculo analógico de la realización observer

Figura C.4: Diagrama circuital de INT1

Generación de la función y (t) = t 2. Generación de y (t) = t2 , t0 t tf . Nótese que y_ (t) = 2t, y• (t) = 2 y con y (0) = 0, y_ (0) = 0 el diagrama correspondiente se muestra en la siguiente …gura

268

Computación analógica

Figura C.5: Diagrama circuital para obtener el inversor INV1

Generación de la función y (t) = t2 3. Generación de y (t) = Ae t . Nótese que y_ (t) = Ae t = y (t), y con y (0) = A, la función se puede obtener mediante el diagrama mostrado en la siguiente …guraNótese que

Figura C.6: Generación de y_ (t) =

y (t) =

Z

ay (t) dt

aAe

A

at

C.3 Escalamiento

269

entonces y_ (t) =

y (t)

que es la ecuación original.

C.3.

Escalamiento

La tensión de salida de cualquier ampli…cador no debe exceder del voltaje de polarización para evitar la saturación de los ampli…cadores lo cual puede causar errores en la solución de una ecuación diferencial o en la generación de una función de transferencia. Por otro lado, la tensión máxima en cualquier ampli…cador no debe ser demasiado pequeña. Al establecer el diagrama de computadora es deseable que la máxima variación de tensión de salida sea la misma para cualquier ampli…cador. De aquí que sea de gran importancia elegir las magnitudes apropiadas de los factores de escala que son los que relacionan las tensiones de salida de los ampli…cadores con las correspondientes magnitudes físicas (velocidad, ángulo, distancia, fuerza, etc.). La escala en tiempo relaciona la variable independiente del problema físico, con la variable independiente de la computadora analógica. Para fenómenos que tienen lugar muy rápidamente, es necesario frenar la velocidad a la cual se simulan esos problemas en la computadora con el …n de poderlos observar bien sea en un osciloscopio digital o en un gra…cador. Por otro lado, sistemas como hornos y tanques, que tienen respuestas lentas, en el rango de horas, se pueden acelerar al hacer la simulación con el …n de seleccionar más rápidamente los parámetros, por ejemplo, los de un controlador.

C.3.1.

Escalamiento en amplitud

Se ilustra la selección de los factores de escala en amplitud utilizando como ejemplo la función x = 10 sin (3t) Note que x_ = 30 cos (3t) x• = 90 sin (3t) x• = 9 10 sin (3t) =

9x

270

Computación analógica

Así la ecuación diferencial correspondiente es x• + 9x = 0 Si se seleccionan como variables de estado x1 = x x2 = x_ entonces x_ 1 = x_ = x2 x_ 2 = x• = 9x =

9x1

lo que de…ne las ecuaciones de estado x_ 1 = x2 x_ 2 = 9x1 Las condiciones inciales son x1 (0) = x (0) = 0 x2 (0) = x_ (0) = 30 Para hacer la realización utilizando ampli…cadores operacionales, las variables de estado x1 y x2 serán representadas por los voltajes vx1 y vx2 mediante las relaciones x 1 = k 1 v x1 x 2 = k 2 v x2 donde k1 y k2 son factores de escala de amplitud, de forma tal que las ecuaciones de estado quedan como k2 vx k1 2 k1 = 9 vx1 k2

v_ x1 = v_ x2

que son las ecuaciones de estado escaladas.

C.3 Escalamiento

271

Como x1 = x = 10 sin (3t), entonces k1 vx1 = 10 sin (3t) Si se escoge k1 = 1 vx1 = 10 sin (3t) cuya máxima amplitud es 10 voltios lo que no satura un ampli…cador operacional alimentado con voltajes de 12 voltios o más. Como x2 = x_ = 30 cos (3t), entonces k2 vx2 = 30 cos (3t) Si se escoge k2 = 3 vx2 = 10 cos (3t) cuya amplitud máxima es 10 voltios. Las nuevas ecuaciones escaladas de estado son v_ x1 = 3vx2 v_ x2 = 3vx1 y la ecuación diferencial correspondiente v•x1 + 9vx1 = 0 que es la misma ecuación original. Así, con vx1 (0) = 0 y vx2 (0) = 10 se obtiene la realización con ampli…cadores operacionales mostrada en la siguiente …gura

Generación de la función vx1 = 10 sin 3t

272

C.3.2.

Computación analógica

Escalamiento en el tiempo

En este caso el tiempo real t se relaciona con el tiempo de simulación tc por medio de la ecuación t = kt tc Obsérvese que tc < t si kt > 1 simulación rápida tc > t si kt < 1 simulación lenta Sea por ejemplo la ecuación v_ x1 =

dvx1 = 3vx2 dt

al escalarla en el tiempo queda dvx1 = kt 3vx2 dtc Esto equivale en general a multiplicar las ganancias de todos los integradores por kt . Algunos computadores análogos disponen de un condesandor adicional que es 10 o 100 veces menor que el utilizado normalmente. Con esto se puede obtener la solución en forma repetitiva para observarla en un osciloscopio y hacer ajustes de parámetros, por ejemplo los de un controlador, rápidamente. En el caso del ejemplo se tendría un condensador 100 veces menor: v_ x1 = 300vx2 v_ x2 = 300vx1 lo que daría como solución vx1 = 10 sin (300t), que es la misma solución con una frecuencia 100 veces mayor.

Apéndice D Transformada de Laplace f (t) impulso unitario (t) escalón unitario (t) rampa unitaria t tn 1 , n = 1; 2; 3; : : : (n 1)! n t , n = 1; 2; 3; : : : e at te at tn 1 e at , (n 1)! n at

1 ab

n = 1; 2; 3; : : : t e , n = 1; 2; 3; : : : sin (!t) cos (!t) sinh (!t) cosh (!t) 1 (1 e at ) a 1 e at e bt b a 1 be bt ae at b a 1 + b 1 a be bt ae at 1 (1 e at ate at ) a2

F (s) 1 1 s 1 s2 1 sn n! sn+1 1 s+a 1 (s+a)2 1 (s+a)n n! (s+a)n+1 ! s2 +! 2 s s2 +! 2 ! s2 ! 2 s s2 ! 2 1 s(s+a) 1 (s+b)(s+a) s (s+a)(s+b) 1 s(s+a)(s+b) 1 s(s+a)2

273

274

Transformada de Laplace f (t) (at 1 + e at ) e at sin (!t) e at cos (!t) p p!n 2 e !n t sin ! n 1 1 p 2 !n t e sin ! 1 t ; n 2

F (s)

1 a2

p1 1

2

t cos (!t) 1 2!

t

= tan

1 cos (!t) !t sin (!t) sin (!t) !t cos (!t) 1 t sin (!t) 2! (sin (!t) + !t cos (!t))

1 s2 (s+a) ! (s+a)2 +! 2 s+a (s+a)2 +! 2 ! 2n 2 s +2 ! n s+! 2n

1

p

1

2

s s2 +2 ! n s+! 2n !2 s2 (s2 +! 2 ) !3 s2 (s2 +! 2 ) 2! 3 2 (s +! 2 )2 s (s2 +! 2 )2 s2 ! 2 (s2 +! 2 )2 s2 2 (s +! 2 )2

Apéndice E Simulación de sistemas dinámicos en Matlab Ejemplo E.1 Para el modelo de espacio de estados x_ = y =

0

1

K M

B M

x+

0 1 M

u

1 0 x

encontrar la función de transferencia usando Matlab. Considere como valores para las variables: K = 1, B = 2, M = 0:5. Se de…nen los valores de las variables en la ventana de comandos del programa Matlab, así: K=1; B=2; M=0.5; a=[0 1; -K/M -B/M]; b=[0;1/M]; c=[1 0]; d=0; Utilizando la función ss2tf es posible obtener los coe…cientes del numerador y del denominador de la función de transferencia, así: [num,den]=ss2tf(a,b,c,d); 275

276

Simulación de sistemas dinámicos en Matlab

y al utilizar la función tf obtenemos la función de transferencia, así: h=tf(num,den) lo cual da como resultado en la ventana de comandos la función de transferencia deseada Transfer function: 2 ------------s^2 + 4 s + 2 Ejemplo E.2 Para el modelo de espacio de 2 0 1 0 B1 K2 6 K1 +K2 M1 M1 M1 x_ = 6 4 0 0 0 K2 K2 0 M2 M2 y =

1 0 0 0 x 0 0 1 0

estados 3 2 3 0 0 K1 7 7 6 0 7 M1 7 x+6 4 0 5u 1 5 B2 0 M2

encontrar las funciones de transferencia H1 (s) y H2 (s) usando Matlab. Se de…nen los valores de las variables en la ventana de comandos del programa Matlab, así: K1=1; K2=1; B1=1; B2=0.5; M1=0.5; M2=2; A=[0 1 0 0; -(K1+K2)/M1 -B1/M1 K2/M1 0; 0 0 0 1; K2/M2 0 -K2/M2 -B2/M2]; B=[0;K1/M1;0;0]; C=[1 0 0 0;0 0 1 0]; D=[0;0]; [num,den]=ss2tf(A,B,C,D);

277 y al utilizar la función tf en la ventana de comandos de Matlab obtenemos las funciones de transferencia H1 (s) y H2 (s), así: >> H1=tf(num(1,:),den) Transfer function: 2 s^2 + 0.5 s + 1 -------------------------------s^4 + 2.25 s^3 + 5 s^2 + 2 s + 1 y >> H2=tf(num(2,:),den) Transfer function: 1 -------------------------------s^4 + 2.25 s^3 + 5 s^2 + 2 s + 1 Ejemplo E.3 Encuentre los polos y los ceros del sistema dinámico descrito por la función de transferencia s + 10 H (s) = 3 s + 11s2 + 43s + 65 Se de…ne la función de transferencia en la ventana de comandos de Matlab así h=tf([1 10],[1 11 43 65]); Se utiliza la función pzmap para calcular los polos y los ceros del sistema de la forma [P,Z]=pzmap(h) obteniedo en la ventana de comandos los valores de P (polos del sistema) y Z (ceros del sistema), así: P = -5.0000 -3.0000 + 2.0000i -3.0000 - 2.0000i Z = -10

278

Simulación de sistemas dinámicos en Matlab

Pole-Zero Map 2.5 2 1.5

Imaginary Axis

1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

Real Axis

Figura E.1: Grá…ca de los polos y los ceros de un sistema dinámico con Matlab

La función pzmap permite obtener también el grá…co de los polos (x) y los ceros (o) representados en el plano complejo al escribir simplemente en la ventana de comandos pzmap(h) Lo cual genera la grá…ca que se muestra en la …gura E.1 Ejemplo E.4 Encuentre las respuestas al escalón unitario y al impulso unitario del sistema dinámico descrito por la función de transferencia H (s) =

s2

1 +s+1

Se de…ne la función de transferencia en la ventana de comandos de Matlab así h=tf([1],[1 1 1]); Se utiliza la función step para encontrar la respuesta del sistema al escalón unitario así

279

Step Response 1.4

1.2

Amplitude

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0

2

4

6

8

10

12

Time (sec)

Figura E.2: Respuesta al escalón unitario

step(h) Obteniendo la grá…ca que se muestra en la …gura E.2 Ahora se utiliza la función impulse para encontrar la respuesta del sistema al impulso unitario así impulse(h) Obteniendo la grá…ca que se muestra en la …gura E.3 Ejemplo E.5 Considere la función de transferencia de un sistema dinámico de segundo orden de la forma H (s) =

! 2n s2 + 2 ! n s + ! 2n

con ! n = 1 y = 1:5, = 1, = 0:5 y = 0. Encuentre la respuesta al escalón unitario para las 4 funciones de transferencia resultantes usando Matlab. Se de…nen los valores de las variables ! n y y las funciones de transferencia respectivas en la ventana de comandos del programa Matlab, así:

280

Simulación de sistemas dinámicos en Matlab

Impulse Response 0.6

0.5

Amplitude

0.4

0.3

0.2

0.1

0

-0.1

0

2

4

6

8

10

12

Time (sec)

Figura E.3: Respuesta al impulso unitario

wn=1; zeta=1.5; h1=tf([wn^2],[1 zeta=1; h2=tf([wn^2],[1 zeta=0.5; h3=tf([wn^2],[1 zeta=0; h4=tf([wn^2],[1

2*zeta*wn wn^2]); 2*zeta*wn wn^2]); 2*zeta*wn wn^2]); 2*zeta*wn wn^2]);

y se calcula la respuesta al escalón unitario para las 4 funciones como t=linspace(0,20,1e4); step(h1,’b’,h2,’r--’,h3,’g-.’,h4,’y:’,t); legend(’\zeta>1’,’\zeta=1’,’0